Автор: Сайкс П.  

Теги: органическая химия   химия  

ISBN: 5-7245-0191-0

Год: 1991

Текст
                    A guidebook to mechanism in organic chemistry
Peter Sykes M.Sc., Ph.D., F.R.S.C., C.Chem.
Fellow and Vice-Master, Christ's College, Cambridge
Longman  Scientific& S? Technical
Copublished in the United States with John Wiley & Sons, Inc., New York
П.Сайкс
РЕАКЦИЙ В ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
ИЗДАНИЕ 4-е
Перевод с английского канд. хим. наук Н. Г. ЛУЦЕНКО
Под редакцией докт. хим. наук В. Ф. ТРАВЕНЯ
МОСКВА «ХИМИЯ» 1991
Эта книга первоначально опубликована иа английском языке издательством Лонгман Троуп ЮК Лтд., Лондон
УДК 547:541.124
Механизмы реакций в органической химии/П. Сайкс.— 4-е изд. Пер. с англ./Под ред. В. Ф. Травеня. — М.: Химия, 1991. — Пер. изд.: Великобритания, 1986. — 448 с. ISBN 5—7245—0191—0
Книга представляет собой перевод 6-го английского издания. Приведены современные представления о строении органических соединений, о связи строения этих соединений с их реакционной способностью. Рассмотрены основные типы механизмов химических реакций. По сравнению с предыдущими изданиями (3-е изд. на русском языке— 1977 г.— являлось переводом 3-го английского издания) материал существенно обновлен и переработан, добавлены новые главы.
Для широкого круга химиков-органиков, преподавателей вузов, аспирантов и студентов.
Ил. 17. Библиогр.: 57 назв.
1705000000-052
050(01)-91	'
С
© Peter Sykes 1961, 1985
Third and subsequent editions © Longman Group Ltd 1970, 1975, 1981, 1986
ISBN 5—7245—0191—0 © Перевод на русский язык, Н. Г. Луценко © Предисловие, комментарии, В. Ф. Травень, 1991
ОГЛАВЛЕНИЕ*
Предисловие редактора перевода ................................... 6
Предисловие А. Р. Тодда............................................7
Предисловие автора к шестому английскому изданию...................8
Глава 1
Структура, реакционная способность и механизмы реакций.............9
Глава 2
Энергетика, кинетика и исследование механизмов реакций	42
Глава 3
Сила кислот и оснований.........................................  63
Глава 4
Нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода	89
Глава 5
Карбокатионы, электроиодефицитные атомы азота и кислорода и их реакции	................116
Глава 6
Электрофильное и нуклеофильное замещение в ароматических системах 145
Глава 7
Электрофильное и нуклеофильное присоединение по связи С=С . . . 197
Глава 8
Нуклеофильное присоединение по связи С=0.........................225
Глава 9
Реакции элиминирования ........................................  273
Глава 10
Карбанионы и их реакции  ........................................302
Глава 11
Радикалы и их реакции............................................335
Глава 12
Реакции, контролируемые симметрией ..............................382
Глава 13
Соотношения линейности свободных энергий.........................400
Рекомендательная литература .................................... 439
Предметный указатель.............................................441
* Подробное содержание приведено в начале каждой главы.
5
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Монография Питера Сайкса не нуждается в многословном представлении. Она уже выдержала шесть изданий и переведена на многие языки. Книга имеет широкую читательскую аудиторию, поскольку сложные понятия теоретической органической химии и схемы механизмов реакций большинства классов органических соединений автор излагает лишь на основе выдержавших испытание временем концепций. Оставаясь верным, как и в предыдущих изданиях, электронным представлениям, Питер Сайкс при интерпретации богатейшего экспериментального материала ограничивается понятиями, введенными Льюисом, Полингом, Робинсоном, Ингольдом, Хюккелем.
По сравнению с третьим изданием, перевод которого на русский язык был опубликован в 1977 г., настоящее издание содержит большой объем новых сведений. Практически в каждой главе появились новые разделы или переработаны прежние. Заново написаны две заключительные главы: глава 12 «Реакции, контролируемые симметрией» и глава 13 «Соотношения линейности свободных энергий». Эти главы имеют значительный объем и существенно обогащают химика в его стремлении осознать тонкие особенности механизмов органических реакций. В частности, глава 12 знакомит с применением орбитальных концепций Фукуи, Вудварда н Гофмана для объяснения протекания и результатов перициклических и родственных им реакций ненасыщенных соединений. Можно надеяться, что в последующих изданиях Питер Сайкс не ограничится экспериментальными данными главы 12 для популяризации орбитальных представлений.
Завершает монографию глава 13. И хотя к настоящему времени изложению результатов применения ор-метода посвящено огромное число монографий и обзоров и химики уже реже обращаются к его помощи, восхищает талант Питера Сайкса выбрать главное в интерпретации соотношений ЛСЭ и показать информативность даже простейших соотношений типа уравнения Гаммета для изучения механизмов органических реакций.
Новое издание получившей широкое признание монографии Питера Сайкса, несомненно, окажется полезным студентам старших курсов и аспирантам в качестве учебного пособия, представит интерес для всех химиков-органиков.
В. Травень
ПРЕДИСЛОВИЕ А. Р. ТОДДА
Пятьдесят лет тому назад студент, начавший увлекаться органической химией — а я говорю об этом из собственного опыта — был бы, наверное, отослан к тому или иному учебнику, обычно известному по именам его авторов, например, таких как Холлеман, Бернтсен, Шмидт, Каррер и Гаттерман. На этих учебниках воспитано не одно поколение химиков, и не в одной стране, поскольку они были переведены на несколько языков. Но эти хорошо знакомые учебники уже большей частью устарели. В те времена общее число доступных книг было достаточно мало по сравнению с настоящим потоком учебников по органической химии, появившихся за последние десятилетия. Такой рост числа учебников может быть объяснен отчасти увеличением числа студентов, но основной причиной является революционизирующее влияние изучения механизмов реакций (на элементарном уровне) на наш подход к органической химии. При таком изобилии учебников автору довольно трудно стать известным, независимо от предмета изучения. Однако это произошло с доктором Питером Сайксом и его книгой «Механизмы реакций в органической химии».
В Предисловии, которое я имел честь написать к первому изданию этой книги в 1961 г., описана моя точка зрения на происходящее в органической химии, а также на метод обучения, который предпочитает доктор Сайкс. Зная и наблюдая его в течение многих лет, сначала как студента, затем как коллегу и всегда как друга, я и тогда был уверен в том, что он написал прекрасную книгу, которая, по крайней мере на мой взгляд, должна способствовать повышению интереса к органической химии. Но ее успех намного превзошел все даже самые большие мон ожидания, и при последующих изданиях книга не потеряла своей прелести.
Настоящее издание продолжает эту традицию. В очередной раз автор «прочесал» появившуюся в последнее время литературу с целью поиска лучших примеров, иллюстрирующих принципы химических реакций. Особый интерес вызывает глава, в которой рассматриваются реакции, контролируемые параметрами орбитальной симметрии. До тех пор, пока я не прочел эту главу, я не был убежден в том, что эта очень важная новая разработка теории органических реакций может быть так просто и в то; же время с пользой рассказана студентам начального этапа обучения. То, что автор сумел это сделать, только еще раз подчеркивает дар учителя и писателя, присущий доктору Сайксу, и я уверен в том, что это новое издание будет иметь еще больший успех, чем предыдущие.
Кембридж	Тодд
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
К ШЕСТОМУ АНГЛИЙСКОМУ ИЗДАНИЮ
Прошло уже двадцать пять лет с тех пор, как вышло первое издание настоящей книги, и совсем неудивительно, что этот ее вариант очень сильно отличается от первого издания. В течение этих лет были приложены большие усилия по включению нового материала и удалению старого, целью которых было не стремление отразить текущие тенденции и популярные направления, а проиллюстрировать значительные изменения в наших фундаментальных представлениях в органической химии, и особенно необходимо было решить, как наилучшим образом донести эти изменения до аудитории, состоящей в основном из студентов младших курсов. В то же самое время особое внимание придавалось сохранению основной схемы построения и структуры книги, поскольку такой путь оказался очень полезным.
В настоящем издании не появилось новых глав, но введены некоторые новые вопросы, например unco-замещение в ароматических системах, выявление типов механизмов в нуклеофильном замещении, более широко использованы активационные параметры, особенно в гидролизе сложных эфиров, параметр Димрота Ет, корреляция данных спектроскопии с параметром Гам мета <ух, ЯМР 13С в биогенезе и др. Непопулярный теперь термин «карбониевый ион» заменен на «карбокатион», преимущество использования которого состоит в том, что он является естественной антитезой «карбаниону». Ограничено также применение достаточно двусмысленного альтернативного термина «кар-бениевый ион». Наряду с этими изменениями весь текст, строка за строкой, был перечитан с целью замены неясных мест более ясными и обоснованными объяснениями и более яркими примерами.
У меня всегда было чувство, что авторам многих учебников не удается раскрыть полностью свои возможности, поскольку автор никогда не решает до конца для себя, адресован ли данный учебник только студентам или, по крайней мере частично, преподавателям, в то время как требования в этих двух случаях в конечном счете разные. Новое издание, как и предшествующие ему, адресовано, вне всяких сомнений, студентам, так что я верю, что эта книга будет полезна всем студентам-химикам независимо от специальности, которую они изучают.
Я глубоко признателен многочисленным авторам писем, которые указали мне на ошибки, неточности и внесли полезные предложения; всегда, когда это было возможно, эти замечания были учтены в новом издании. Я буду очень благодарен за подобное содействие в будущем *.
Кембридж Сентябрь 1985 г.	Питер Сайкс
* Заключительная часть Предисловия перенесена в качестве примечания в начало главы 13. — Прим. ред.
8
Глава 1
СТРУКТУРА, РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ И МЕХАНИЗМЫ РЕАКЦИЙ
1.1	Атомные орбитали.................................................9
1.2.	Гибридизация...................................................12
1.3.	Образование связей в соединениях	углерода......................13
1.3.1.	Простые	углерод-углеродные	связи........................15
1.3.2.	Двойные	углерод-углеродные	связи........................17
1.3.3.	Тройные	углерод-углеродные	связи........................18
1.3.4.	Углерод-кислородные и	углерод-азотные связи..............19
1.3.5.	Сопряжение...............................................20
1.3.6.	Бензол и ароматичность...................................23
1.3.7.	Условия делокализации	электронов.........................28
1.4.	Разрыв и образование связей....................................30
1.5.	Факторы, влияющие на доступность электронов....................31
1.5.1.	Индуктивный эффект и эффект поля.....................  .	31
1.5.2.	Мезомерный эффект (эффект	сопряжения)....................33
1.5.3.	Динамические эффекты.................................... 34
1.5.4.	Сверхсопряжение (гиперконъюгация)........................35
1.6.	Стерические эффекты............................................37
1.7.	Классификация реагентов........................................39
1.8.	Классификация реакций..........................................41
Главное преимущество подхода к изучению органической химии с точки зрения механизмов реакций заключается в том, что существующие внешне совершенно различные факты могут быть систематизированы и объяснены на основе использования сравнительно небольшого числа основополагающих принципов. Более того, такой подход позволяет предвидеть, каким образом изменится протекание известных реакций в новых условиях и какие продукты будут получены в новых реакциях. В этой главе кратко изложены некоторые из этих основополагающих принципов и показано, как они действуют. Так как по существу речь дальше пойдет о соединениях углерода, необходимо обсудить способы образования связей между атомами углерода и другими атомами и, в частности, способы образования углеродуглеродной связи.
1.1.	Атомные орбитали
Атом углерода имеет шесть электронов, которые, согласно теории Бора о строении атома, располагаются вокруг ядра на орбитах возрастающего диаметра. Эти орбиты соответствуют уровням с постепенно возрастающей энергией: уровень
9
с наименьшей энергией 1s содержит два электрона, следующий уровень 2s также содержит два электрона; остальные два электрона атома углерода находятся на уровне 2р, который может содержать всего шесть электронов.
Из рассмотрения поведения электрона с точки зрения законов волновой механики и, в частности, с учетом принципа неопределенности Гейзенберга следует, что орбиты как таковые не существуют. Вместо этого волноподобные электроны характеризуются в настоящее время волновыми функциями Y, а классические орбиты Бора заменены трехмерными атомными орбиталями, различающимися уровнями энергии. Размер, форма и ориентация этих атомных орбиталей — областей пространства, где с наибольшей вероятностью можно обнаружить электрон, соответствующий данному квантовому энергетическому уровню,— описываются одной из волновых функций: Ч'дЧ'в, Ч’с и т. д. Таким образом, орбитали представляют собой трехмерные электронные «контурные карты», в которых функция 'Г2 определяет относительную вероятность нахождения электрона в данной конкретной точке орбитали.
Относительные размеры атомных орбиталей увеличиваются по мере возрастания их энергий и определяются главным квантовым числом и, а их форма и ориентация в пространстве (по отношению к ядру и друг к другу)—квантовыми числами I и пг соответственно *. Электроны на орбиталях характеризуются также спиновым квантовым числом, которое может принимать значения от 1 /2 до —1/2. Ограничение, которое вводит теория в отношении таких орбиталей, состоит в том, что на каждой орбитали может находиться не более двух электронов, отличающихся друг от друга противоположными спинами (спаренные спины) **. Это ограничение следует из принципа Паули, согласно которому ни у какого атома не может быть двух электронов, характеризующихся одним и тем же набором квантовых чисел.
Квантовомеханическими расчетами можно показать, что 1s-орбиталь (определяемая квантовыми числами n=l, I = О, m = 0 и соответствующая К-оболочке) имеет сферическую симметрию относительно ядра атома; 2х-орбиталь (п — 2, 1 = 0, tn = 0) также имеет сферическую симметрию, но находится на большем расстоянии от ядра. Между этими орбиталями существует область, где вероятность нахождения электрона близка
* п может иметь значения 1, 2, 3, ...: I — значения 0, 1, 2, .... п. — 1; m — значения 0, ±1, ±2, ..., ±1. Мы будем обычно рассматривать только значения I, равные 0 и 1; соответствующие орбитали называют (по спектроскопической терминологии) s- и р-орбиталями соответственно; например, 1s-, 2s-, 2р-орбитали и т. д.
** Одни электрон имеет спиновое квантовое число +1/2, другой —1/2.
10
к нулю (сферическая узловая область) *:
Зр
3s------
М-оболочка
2р------
2s -----
L-оболочка
1s ------- К-оболочка
Сказанное выше о s-орбиталях не противоречит классическому представлению об орбитах, по которым движутся электроны, однако при рассмотрении 2р-уровня (продолжение L-оболочки) различие становится очевидным. Согласно теории, должны существовать три 2р-орбитали (и. = 2, I = 1, m = -f-l, О и —1), имеющие одинаковую форму и одинаковый уровень энергии (орбитали с одинаковыми уровнями энергии называют вырожденными), но различающиеся ориентацией в пространстве. Эти орбитали располагаются вдоль взаимно перпендикулярных осей х, у и z и обозначаются 2рх, 2ру и 2рг соответственно. Эти три орбитали не обладают сферической симметрией, подобно 1s- и 25-орбиталям, а напоминают гантели. Плоскости, в которых вероятность нахождения электрона равна нулю (узловые плоскости), проходят через ядро под прямыми углами соответственно к осям х, у и z и разделяют каждую из «гантелей» на две половинкй\
Узловая плоскость
плоскость
2рх	2ру
Шесть электронов атома углерода располагаются на атомных орбиталях, имеющих возрастающие уровни энергии, до тех пор, пока они не будут заполнены. Так, два электрона со
* Квантовомеханическое содержание понятия «атомная орбиталь» не может быть в полной мере передано графически; на эскизе показаны общепринятые условные изображения атомных орбиталей. — Прим. ред.
11
спаренными спинами займут ls-орбиталь, еще два электрона — 25-орбиталь, а оставшиеся два электрона займут 2р-уровень, причем будут располагаться или на одной и той же орбитали, например 2рх, или на различных, например 2рх и 2ру. Согласно правилу Гунда, два электрона избегают занимать одну и ту же орбиталь до тех пор, пока другие энергетические эквивалентные (т. е. вырожденные) орбитали свободны. Таким образом, электронную конфигурацию атома углерода можно представить как ls22s22p^2p^, причем орбиталь 2рг остается незанятой. Эта конфигурация характеризует основное состояние свободного атома углерода, в котором только два неспаренные электрона (на 2рх- и 2р!/-орбиталях) могут участвовать в образовании связей с другими атомами, т. е. на первый взгляд может показаться, что углерод может быть только двухвалентным.
Однако такой вывод противоречит экспериментальным данным, согласно которым соединения, содержащие атом углерода, связанный только с двумя другими атомами, например СС12 (см. разд. 9.8), очень неустойчивы; в подавляющем большинстве соединений углерод является четырехвалентным, как, например, в метане СН4. Это может достигаться расспариванием электронной пары 2s2 и переходом одного из этих электронов на вакантную 2рг-орбиталь. В результате атом углерода переходит в состояние с повышенной энергией (возбужденное состояние) ls22sl2p{x2p{y2p{z, имея в результате этого четыре неспаренных электрона вместо двух, способен образовать связи уже не с двумя, а с четырьмя другими атомами или группами. Большое количество энергии, выделяющееся при образовании этих двух дополнительных связей, значительно превышает энергию [«406 кДж/моль (97 ккал/моль)], необходимую для рас-спаривания двух 2в2-электронов и перехода 2s—>~2p.
1.2.	Гибридизация
Очевидно, что при связывании атома углерода с четырьмя другими атомами не используются одна 25-орбиталь и три 2р-орбитали, так как это привело бы к образованию трех взаимно перпендикулярных связей (с тремя 2р-орбиталями) и одной связи, отличающейся от них и не имеющей направления (со сферически, симметричной 25-орбиталью). В действительности, четыре С—Н-связи, например в метане, как известно, равноценны и расположены симметрично (тетраэдрически) под углом 109°28' друг к другу. Это можно объяснить тем, что одна 2s- и 2р-орбитали объединяются так, чтобы образовать четыре новые (идентичные) орбитали, способные дать более прочные связи (ср. разд. 1.5). Эти новые орбитали известны под названием вр3-гибридных атомных орбиталей, а процесс их образования
12
называется гибридизацией:
Следует, однако, подчеркнуть, что в приведенной схеме речь идет о гибридизации не самих орбиталей, а математических функций, которые их описывают.
Сходную, хотя и несколько отличную перестройку можно представить в тех случаях, когда атом углерода связывается с тремя другими атомами, например в этене (этилен) (см. разд. 1.3.2); при этом три $р2-гибридные атомные орбитали располагаются в одной плоскости под углами 120° друг к другу (плоскостная, или тригональная, гибридизация). Наконец, когда атом углерода связывается с двумя другими атомами, например в этине (ацетилен) (см. разд. 1.3.3), две ъ’р'-гибридные атомные орбитали расположены под углом 180° (дигональная, или линейная, гибридизация). В каждом случае в гибридизации участвует s-орбиталь, поскольку она имеет самый низкий уровень энергии.
Указанные перестройки одной 2$-орбитали и трех 2р-орби-талей выгодны, так как в случае $р2-гибридизации становится доступной одна негибридизованная р-орбиталь (см. разд. 1.3.2), а в случае яр'-гибридизации — две р-орбитали (см. разд. 1.3.3). Выгодны и такие способы гибридизации, когда гибридные орбитали необязательно идентичны, например в СНгС12 (в отличие от орбиталей в СС14 и СН4). Реализуется тот способ гибридизации, при котором атом углерода может образовать максимально прочные связи, а другие связываемые с ним атомы (и электронные пары, образующие эти связи) возможно дальше отстоят друг от друга, так что общая внутренняя энергия полученного соединения оказывается минимальной.
1.3.	Образование связей в соединениях углерода
Образование связи между двумя атомами можно рассматривать как результат перекрывания атомных орбиталей двух участвующих в ней атомов: чем сильнее такое перекрывание (интеграл перекрывания), тем прочнее образующаяся связь.
13
Согласно расчетным данным, относительные эффективности перекрывания атомных орбиталей SOTH возрастают следующим образом:
Орбиталь	Орбиталь
s	1,00	sp2	1,99
р	1,72	sp3	2,00
sp1	1,93
Из этих данных ясно, почему использование гибридных орбиталей, например $р3-орбиталей в связывании одного атома углерода с четырьмя атомами водорода при образовании молекулы метана, приводит к возникновению более прочных связей.
Можно показать, что когда атомы оказываются на достаточно близком расстоянии друг от друга, обе атомные орбитали переходят в две молекулярные орбитали, одна из которых находится на более низком энергетическом уровне, а другая — на более высоком, чем- первоначальные орбитали:
антисвязывающая (<г*) молекулярная орбиталь
атомная орбиталь А	_
атомная орбиталь В
связывающая (ст) молекулярная орбиталь
Эти две новые молекулярные орбитали распространяются на оба атома; на каждой из них могут находиться по два электрона. Молекулярную орбиталь с более низкой энергией называют связывающей орбиталью: заполнение ее электронами приводит к образованию стабильной связи между двумя атомами. В этом случае пара электронов, образующаяся связь, стремится сосредоточиться между двумя положительно заряженными атомными ядрами, что, можно полагать, и удерживает эти ядра друг около друга. Молекулярную орбиталь с более высокой энергией называют антисвязывающей орбиталью-, она соответствует такому состоянию, при котором межъядерное пространство в значительной мере свободно от электронов, что приводит к отталкиванию двух положительно заряженных атомных ядер. В основом состоянии молекулы антисвязывающая орбиталь не заполняется электронами и в дальнейшем при обсуждении образования стабильных связей между атомами рассматриваться не будет.
14
Если две атомные орбитали перекрываются вдоль их главных осей, то возникающую при этом связывающую орбиталь называют ст-орбиталью *, а образующуюся связь — ст-связью. Молекулярная ст-орбиталь и находящиеся на ней электроны локализованы симметрично относительно линии, соединяющей ядра атомов, участвующих в образовании связи. Так, при образовании связей с атомами водорода в метане четыре гибридные $р3-орбитали атома углерода перекрываются с ls-орбиталями четырех атомов водорода, образуя четыре идентичные прочные ст-связи, располагающиеся под углом 109°28z друг к другу (стандартный тетраэдрический угол). Сходная строго симметричная тетраэдрическая структура возникает также, например, при образовании ССЬ; если же атомы, образующие связи с углеродом, неодинаковы, например в случае СН2С12, пространственная структура будет несколько отличаться от полностью симметричной, хотя по существу она остается тетраэдрической (ср. разд. 1.2).
1.3.1.	Простые углерод-углеродные связи
Связывание двух атомов углерода, например, в этане происходит в результате перекрывания двух атомных $р3-орбита-лей (по одной от каждого из атомов), которое приводит к образованию прочной ст-связи. Длина углерод-углеродной связи в насыщенных соединениях равна 0,154 нм. Это относится, однако, к простой углерод-углеродной связи между $р3-гибриди-зованными атомами. Было показано, что длина аналогичной простой связи между двумя $р2-гибридизованными атомами углерода =СН—СН= составляет «0,147 нм, а между двумя зр’-гибридизованными атомами углерода =С—Сг она равна «0,138 нм. Эти различия неудивительны, поскольку s-орбиталь и находящиеся на ней электроны расположены ближе к ядру, чем р-орбиталь и находящиеся на ней электроны. То же самое наблюдается и для других гибридных орбиталей — возрастание s-компонента приводит к тому, что при образовании связей между двумя атомами углерода межатомные расстояния сокращаются при переходах: sp3—sp3-»-sp2—sp2-»-sp1—sp'.
Однако для этана нельзя предложить какую-либо единственную структуру: ст-связь, соединяющая два углеродных атома, симметрична по отношению к линии, соединяющей эти атомы, и теоретически возможно неограниченное число структур с различным относительным расположением атомов водорода, связанных с атомами углерода. Два крайних случая возможных
* Соответствующую антисвязывающую молекулярную орбиталь обозначают как а*-орбиталь.
15
структур получилй названия форм:
заслоненной и заторможенной
Изображения указанных конформаций известны как проекции типа «козел* и проекции Ньюмена соответственно. Заслоненная и заторможенная формы и бесконечное множество структур, промежуточных между ними, называют конформациями молекулы этана; конформации определяют как различные расположения одной и той же группы атомов в пространстве, которые могут переходить друг в друга без разрыва связей.
Заторможенная конформация, вероятно, более стабильна, поскольку в ней атомы водорода максимально удалены друг от друга [0,310 им (3,1 А)] и любое так называемое несвязывающее взаимодействие между ними сведено к минимуму. В случае же заслоненной конформации они максимально сближены [до 0,230 нм (2,3 А)], что лишь немногим меньше суммы их ван-дер-ваальсовых радиусов. Давно известный принцип свободного вращения вокруг простой углерод-углеродной связи в случае этана, однако, не нарушается: как показывают расчеты, разница энергий заслоненной и заторможенной конформаций при 25 °C составляет «12 кДж/моль (3 ккал/моль); эта разница достаточно мала и не препятствует превращению одной формы в другую при комнатной температуре за счет энергии обычного теплового движения — вращательная частота при 25 °C составляет «1012 с-1. Тот факт, что очень тесное расположение атомов может привести к реальному ограничению вращения вокруг простой углерод-углеродной связи, был подтвержден выделением двух форм СНВг2СНВг2, однако только при низких температурах, когда энергия столкновений между молекулами еще недостаточна для того, чтобы обеспечить взаимные превращения конформеров.
16
1.3.2.	Двойные углерод-углеродно связи
В этене каждый атом углерода связан с тремя другими атомами — с двумя атомами водорода и одним атомом углерода. Прочные a-связи с этими тремя атомами образуются с использованием трех орбиталей, возникающих в результате гибридизации 2$-орбитали и двух (из трех) 2р-орбиталей: число гибридных орбиталей, которое может образовать данный атом в основном состоянии, равно числу атомов или групп, с которыми он образует прочные ст-связи. Все три результирующие $р2-гибридные орбитали лежат в одной и той же плоскости и образуют друг с другом углы, равные 120° {плоскостные тригональные орбитали). При образовании молекулы этена две sp2-орбитали каждого атома углерода перекрываются с ls-орбита-лями двух атомов водорода, образуя прочные ст-связи С—Н, тогда как третьи $р2-орбитали каждого атома углерода перекрываются друг с другом аксиально с образованием прочной ст-связи С—С. Показано экспериментально, что углы Н—С—Н и Н—С—С равны 116,7 и 121,6° соответственно. Отклонение от 120° едва ли можно считать неожиданным, поскольку речь идет о разных триадах атомов, образующих связи.
Таким образом, у каждого из атомов углерода остается одна негибридизоваииая 2р-орбиталь, перпендикулярная плоскости, в которой находятся атомы углерода и водорода. Когда эти две орбитали становятся параллельными одна другой, они перекрываются с образованием связывающей молекулярной орбитали, охватывающей оба атома углерода. Молекулярная орбиталь располагается над и под плоскостью молекулы (в плоскости молекулы эта орбиталь имеет «узел»), в которой находятся оба атома углерода и четыре атома водорода (пунктирными клиньями показаны связи с атомами, расположенными за плоскостью чертежа, а зачерненными клиньями — связи с атомами, расположенными перед плоскостью чертежа:
нхА АЧн	н
Эту новую связывающую молекулярную орбиталь называют л-орбиталью *, а находящиеся на ней электроны — л-электро-нами. Образованная таким образом новая связь, называемая л-связью, сближает атомы углерода: длина связи С=С в этене
* Аналогично образуется антисвязывающая (л*) молекулярная орбиталь (ср. разд. 1.3.5).
17
равна 0,133 нм, тогда как длина связи С—С в этане равна 0,154 нм. Боковое перекрывание атомных орбиталей, обусловливающее образование л-связи, менее эффективно, чем перекрывание вдоль главной оси, ведущее к образованию о-связи; именно поэтому л-связи менее прочны, чем ст-связи. Это проявляется, в частности, в том, что энергия двойной углерод-углеродной связи превышает энергию одинарной связи, однако менее чем в два раза. Так, энергия связи С—С в этане равна 347 кДж/ /моль (83 ккал/моль), тогда как энергия связи С—С в этене составляет только 598 кДж/моль (143 ккал/моль).
Степень бокового перекрывания двух атомных 2р-орбиталей, а следовательно, и прочность л-связи максимальна, если два атома углерода и четыре атома водорода расположены строго в одной плоскости, т. е. если они копланарны, поскольку только в этом случае атомные 2р-орбитали точно параллельны одна другой и поэтому способны к максимальному перекрыванию. Любое отклонение от копланарного состояния вследствие поворота вокруг ст-связи, соединяющей два атома углерода, приведет к уменьшению степени перекрывания и соответственно к снижению прочности л-связи; л-связь, таким образом, способствует сохранению плоскостности молекулы. В этом заключается теоретическое объяснение давно известного явления препятствия вращению вокруг двойной углерод-углеродной связи. Распределение л-электронов над и под плоскостью молекулы, т. е. за пределами оси углерод-углеродной связи, означает существование области отрицательного заряда, готовой к взаимодействию с любыми электронодефицитными реагентами (например, с окислителями). Неудивительно поэтому, что реакции с такого рода реагентами наиболее характерны для двойной углерод-углеродной связи (ср. разд. 7.1). Таким образом, классическая картина двойной связи заменяется моделью, согласно которой две связи, соединяющие атомы углерода, не только не идентичны, но и различны по природе, прочности и расположению в пространстве.
1.3.3.	Тройные углерод-углеродные связи
В этине каждый атом углерода связан только с двумя другими атомами — с одним атомом водорода и одним атомом углерода. С этими двумя атомами образуются прочные ст-связи за счет двух гибридных орбиталей, образованных вследствие гибридизации 2«-орбитали, и только одной из атомных 2р-орби-талей углерода. Результирующие дигональные зр'-гибридные орбитали расположены на одной прямой. Так, при образовании молекулы этнна (ацетилен) эти гибридные орбитали используются для образования прочных о-связей между каждым из ато-тов углерода и одним атомом водорода и между атомами угле
18
рода, в результате чего образуется линейная молекула, в которой каждый из двух атомов углерода имеет по две негибриди-зованные атомные 2р-орбитали, расположенные под прямым углом друг к другу. Атомные орбитали одного атома углерода параллельны соответствующим орбиталям другого атома углерода и, следовательно, могут попарно перекрываться, что приводит к образованию двух л-связей во взаимно перпендикулярных плоскостях:
Таким образом, молекула этина как бы находится внутри цилиндра из отрицательного заряда. Энергия связи С = С составляет 812 кДж/моль (194 ккал/моль), так как вклад третьей связи еще меньше, чем вклад второй связи при переходе от простой связи к двойной. Длина связи С=С равна 0,120 нм: атомы углерода в этине расположены еще ближе друг к другу, чем в этене, но уменьшение длины связи при переходе С = С —>-С=С меньше, чем при переходе С—С —С=С.
1.3.4.	Углерод-кислородные и углерод-азо,тные связи
Атом кислорода имеет электронную конфигурацию ls22s22p2x2p'y2p'z и при связывании с другими атомами может так же, как и углерод, давать гибридные орбитали, обеспечивающие образование наиболее прочных связей.
Так, при связывании с атомами углерода двух метильных групп в молекуле метоксиметана (диметиловый эфир) СН3—О—СНз атом кислорода мог бы использовать четыре s/Агибридные орбитали: две — для образования a-связей путем перекрывания с хр3-орбиталями каждого из двух атомов углерода, а две другие — для оставшихся свободными двух пар электронов. Показано, что угол С—О—С составляет 110°, длина связи С—О равна 0,142 нм (1,42 А), а энергия связи равна 360 кДж/моль (86 ккал/моль).
Атом кислорода может образовывать и двойные связи с атомом углерода; например, в пропаноне (ацетон) Ме2С=О: атом кислорода использует три 5р2-гибридные орбитали: одну для образования a-связи путем перекрывания с $р2-орбиталью
19
атома углерода, а две другие — для оставшихся двух свободу ных пар электронов. При этом как у атома кислорода, так м у атома углерода остается по одной негибридизованной р-орби-тали, которые могут давать боковое перекрывание (ср. для связи С=С, разд. 1.3.2) с образованием л-связи:
Найдено, что угол С—С—О составляет « 120°, длина связи С=О равна 0,122 нм (1,22 А), а ее энергия равна 750 кДж/ /моль (179 ккал/моль). Тот факт, что энергия связи С = О несколько больше удвоенной энергии связи С—О, в то время как энергия связи С=С заметно меньше удвоенной энергии связи С—С, объясняется, вероятно, тем, что в связи С=О свободные пары электронов атома кислорода более удалены друг от друга и поэтому более устойчивы, чем в связи С—О. Свойства атомов углерода и кислорода в образовании связей, таким образом, различны. Лишний раз об этом говорит и то, что связь углерод-кислород в отличие от связи углерод-углерод полярна.
Атом азота имеет электронную конфигурацию ls22s22p*2p^2p^ и также может давать гибридные орбитали при образовании простых С—N, двойных C=N и тройных C = N связей с углеродом. В каждом случае одна из орбиталей служит для локализации на ней свободной пары электронов атома азота; при образовании двойной и тройной связей соответственно одна и две л-связи также образуются в результате бокового перекрывания негибридизованных р-орбиталей атомов азота и углерода. Средние значения длин и энергий для простой азот-углеродиой связи равны соответственно 0,147 нм (1,47 А) и 305 кДж/моль (73 ккал/моль); для двойной связи они равны 0,129 нм (1,29 А) и 616 кДж/моль (147 ккал/моль) и для тройной связи равны 0,116 нм (1,16 А) и 893 кДж/моль (213 ккал/моль).
1.3.5.	Сопряжение
При рассмотрении молекул, содержащих более одной кратной связи, например диенов с двумя С=С-связями, можно заметить, что соединения, в которых эти связи сопряжены (т. е. соединения, в которых кратные связи чередуются с простыми), например (1а) и (16), несколько более стабильны, чем соединения, в которых эти связи изолированы, например соедине
20
ния (2а) и (26):
(2а)
Большая термодинамическая устойчивость (более низкая энергия) сопряженных молекул проявляется в том, что соединения (1) характеризуются меньшей теплотой сгорания и меньшей теплотой гидрирования, чем соединения (2), и что изолированные двойные связи, как правило, могут легко мигрировать до тех пор, пока не станут сопряженными:
основание
МеСН=СН—СН2—С==О ------------МеСН2—СН=СН—С=О
।	катализатор	।
Me	Me
Безусловно, сопряжение не ограничивается кратными углерод-углеродными связями.
В соединениях (1а) и (2а) боковое перекрывание р-атом-ных орбиталей соседних атомов углерода могло бы привести к образованию двух локализованных л-связей и можно было бы ожидать, что эти соединения сходны с этеном, только как будто удвоенным! Такое сходство, действительно, было обнаружено для соединения (2а); соединение (1а) отличается, однако, несколько большей устойчивостью (о чем упоминалось выше), спектроскопическими свойствами (см. ниже) и способностью более легко вступать в реакции присоединения по сравнению с изолированными диенами (см. разд 7.5). При более внимательном рассмотрении выясняется, что в структуре (1а) боковое перекрывание может осуществляться между всеми четырьмя р-орбиталями соседних атомов углерода. Такое перекрывание приводит к образованию четырех молекулярных орбиталей —
21
двух связывающих (Ti и W2) и двух антисвязывающих (Чгз и Чг4) [перекрывание п атомных орбиталей (АО) всегда дает п молекулярных орбиталей (МО)]:
^4
«‘б
> антисвязывающие
V5J
Энергия л-орбитали
t 4 р-АО л-^
л-МО
1±_ _н_у t4 3
.
связывающие
атомы
этилен (хз)
МО бензол
t 4
у2
Как видно, при расположении четырех электронов в сопряженном диене (1а) на двух связывающих орбиталях суммарная энергия соединения ниже, чем (по аналогии с этеном) при расположении электронов на двух локализованных л-связях. Электроны в диене становятся делокализованными и принадлежат всей сопряженной системе, а не локализуются над двумя парами атомов углерода в л-связях, как в этене или структуре (16). Распределение четырех электронов на связывающих молекулярных орбиталях Ti и Ч^ ведет к образованию делокализованного заряженного электронного облака, как, например, в структуре (3):
При такой делокализации четыре атомные р-орбитали в структуре (1а) должны быть практически параллельными, и это неизбежно может вызвать серьезные ограничения вращения вокруг связи‘ С-2—С-3 в структуре (3), которая находится в наиболее предпочтительной конформации. Можно было бы также ожидать, что плотность л-электроиов между атомами С-2 и С-3 придаст этой связи характер частично двойной связи и она окажется короче, чем простая С—С-связь. Длина связи С-2—• —С-3 действительно несколько укорочена [0, 147 нм (1,47 А)], однако она не меньше длины одинарной связи между зр2-гиб-ридизованными атомами углерода (ср. разд. 1.3.2). Энергия стабилизации сопряженного диена относительно невелика [«17 кДж/моль (4 ккал/моль)], но даже этот выигрыш энер-
22
.гии нельзя приписать только делокализации электронов: необходимо принимать во внимание состояние гибридизации атомов углерода и различие в прочности связей между ними.
Делокализация гораздо более важна для стабилизации возбужденных состояний диенов и вообще полиенов, т. е. для снижения энергии этих состояний. Эффект делокализации при этом сводится к тому, что уменьшается щель между энергетическими уровнями основного и возбужденного состояний сопряженных молекул по сравнению с соответствующими характеристиками молекул с изолированными двойными связями. Действительно, по мере увеличения степени сопряжения указанная энергетическая щель постепенно уменьшается. Количество энергии, необходимое для перехода молекулы из основного состояния в возбужденное, снижается, вследствие чего длина волны излучения, поглощаемого сопряженной системой, возрастает. Простые диены поглощают в УФ-области спектра, однако по мере увеличения степени сопряжения поглощение постепенно смещается в видимую область, т. е. соединения приобретают окраску. Это можно проиллюстрировать на примере а, ю-дифеиилполиеиов:
CeH5(CH=CH)nCeH5
п	Окраска
1	Нет
2—4	Желтая
п	Окраска
5	Оранжевая
8	Красная
1.3.6.	Бензол и ароматичность
Одна из главных проблем фундаментальной органической химии связана со структурой бензола. Известное плоскостное строение его молекулы предполагает х/Я-гибридизацию с р-ор-биталями на каждом из шести атомов углерода, направленными под прямыми углами к плоскости кольца [см. формулу (4)]:
Возможно, конечно, перекрывание орбиталей атомов 1, 2; 3, 4; 4г 6 или 1, 6; 5, 4; 3, 2, что привело бы к образованию соответствующих структур Секуле (4а) и j(46). Однако имеется и другой вариант: перекрывание всех шести смежных р-орби-талей, как в сопряженных диенах (см. разд. 1.3.5), что приводит к формированию шести молекулярных орбиталей — трех связывающих (Wi -> Ws) и трех аитисвязывающих (Чг4->-Чгб);
23
энергетические уровни этих орбиталей представлены ниже:
Энергия л-орбитали
21______
P-АО f | л-------
л-МО
этилен(х 2)
У4-
tit/3
антисвязывающие
р-АО	ЦТ—LL
t 4
у,——
МО бутадиен
связывающие
Связывающая МО с самой низкой энергией (Т,) является циклической и охватывает все шесть атомов углерода, т. -е. делокализована. Эта МО имеет узловую плоскость, совпадающую с плоскостью молекулы, так что существуют два кольцевых электронных облака, располагающихся над и под плоскостью кольца [из которых только верхнее показано в структуре (5а)]: на этой МО распределены два электрона. Две другие связывающие МО (ХР2 и Тз) с равными энергиями (вырожденные МО) также охватывают все шесть атомов углерода, но кроме узловой плоскости, совпадающей с плоскостью кольца, каждая из них имеет еще и узловую плоскость, расположенную перпендикулярно плоскости молекулы. Таким образом, каждая из указанных МО имеет четыре доли, из которых только верхние пары показаны в структурах (56) и (5в):
Узловая плоскость I
(5а)	(56)	(5в)
На каждой МО ХР2 и также находятся по два электрона— всего в молекуле бензола оказывается шесть л-электро-нов. В результате формируется кольцевое электронное облако над и под плоскостью кольца (6):
24
Влияние этого облака отрицательного заряда на различные типы реагентов, которые могут атаковать молекулу бензола, рассмотрено в разд. 6.1.
Приведенная схема распределения электронов в молекуле бензола подтверждается тем, что все его углерод-углеродные связи имеют одну и ту же длину*, равную 0,140 им (1,40 А); молекула бензола представляет собой правильный шестиугольник, расстояния между атомами углерода в котором находятся между значениями длин простой [0,154 им (1,54А)] и двойной [0,133 им (1,33 А)] углерод-углеродиых связей. Чтобы подчеркнуть равиоцеииость всех связей в молекуле бензола, ее изображают ие формулами Кекуле, в которых связи неравноценны, а формулой вида:
Остается, одиако, выяснить вопрос о причинах сильно выраженной термодинамической устойчивости бензола. Эта устойчивость объясняется расположением трех ст-связей каждого из атомов углерода в одной плоскости под оптимальным углом 120° по отношению друг к другу и в большей степени тем, что все шесть л-электроиов размещены иа циклических, делокализованных молекулярных орбиталях. Такое распределение электронов значительно более устойчиво (соответствует более низкому уровню энергии), чем распределение иа трех локализованных л-ор-биталях (см. выше). Гораздо большая устойчивость бензола по сравнению, например, с сопряженными диенами (ср. разд. 1.3.5), вероятно, определяется тем, что молекула бензола является циклической (т. е. закрытой) симметричной системой.
Примерную оценку устойчивости бензола по сравнению с простыми циклическими ненасыщенными структурами можно получить, сравнивая теплоты гидрирования бензола, циклогексена (7) и циклогексадиеиа-1,3 (8):
ДЯ = — 120 кДж/моль (—28,6 ккал/моль)
ДЯ= —232 кДж/моль (—55,6 ккал/моль)
кН = — 208 кДж/моль (—49,8 ккал/моль)
* Связи С—Н в бензоле также имеют одинаковую длину, равную 0,108 нм (1,08 А).
25
Теплота гидрирования циклического диена (8) почти вдвое больше теплоты гидрирования циклогексена; следовало бы ожидать, что теплота гидрирования трех двойных связей в структуре Кекуле должна быть равна 3(—120) кДж/моль = = —360 кДж/моль (—85,8 ккал/моль). Однако в действительности при гидрировании бензола выделяется только —208 кДж/ /моль (—49,8 ккал/моль). «Реальная» молекула бензола по термодинамической устойчивости превосходит гипотетический «циклогексатриен» иа 151 кДж/моль (36 ккал/моль). Для сравнения следует отметить, что сопряженный диен стабильнее его аналога, в молекуле которого нет взаимодействия между электронами двойных связей, лишь на 17 кДж/моль (4 ккал/моль).
В отличие от бензола теплота гидрирования циклооктатетра-ена (9) до циклооктаиа (10) равна —410 кДж/моль (—98 ккал/моль), а теплота гидрирования циклооктена (11) равна —96 кДж/моль (—23 ккал/моль).
О)	(10)	(11)
АЯ = — 410 кДж/моль АЯ = —96 кДж/моль (—98 ккал/моль)	(—23 ккал/моль)
Разница в значениях АД соединения (9) и 4АЯ соединения (11) составляет лишь —26 кДж/моль (—6 ккал/моль); цикло-октатетраеи, в отличие от бензола, не обнаруживает характерной стабилизации при сравнении с подходящим гипотетическим полиеном (в действительности он слегка стабилизирован), т. е. не является ароматическим. Отсутствие ароматических свойств у молекулы циклооктатетраена неудивительно, поскольку перекрывание циклических р-орбиталей, как и для бензола, возможно лишь в том случае, если соединение (9) имеет плоское строение и, следовательно, угол С—С—С равен 135°; это привело бы к очень большому напряжению в кольце, образованному sp2-гибридизованными атомами, для которых предпочтителен угол 120°. Такое напряжение может быть ослаблено деформацией кольца, но при этом становится невозможным перекрывание р-орбиталей. То, что такая деформация кольца действительно имеет место, подтверждено данными рентгеиоструктурного анализа, согласно которым циклооктатетраен имеет конформацию «ванны» (9а) с чередующимися двойными [0,133 нм (1,33 А)] и простыми [sp2 — sp2-, 0,146 нм (1,46 А); ср. разд. 1.3.1] углерод-углеродными связями:
од33 им	(9а)
0,146 нм
Условия, необходимые для того, чтобы циклические полиены обладали ароматическими свойствами, рассмотрены ниже.
26
Энергию, на величину которой молекула бензола стабилизирована по сравнению с молекулой гипотетического циклогекса-триена, следовало бы называть энергией стабилизации, однако ее часто называют энергией делокализации, хотя вопрос о том, в какой мере стабилизация бензола действительно обусловлена делокализацией его шести л-электронов, еще не ясен. Широко используется также термин энергия резонанса, однако он совершенно неудовлетворителен с семантической точки зрения, поскольку слово резонанс обычно ассоциируется с быстрыми переходами (осцилляциями) между различными структурами (например, в случае бензола — между структурами Кекуле, которые на самом деле не существуют; ср. разд. 1.3.7).
Можно сформулировать следующие условия, необходимые для проявления стабилизации и ароматического характера полиенов: а) молекула должна быть плоской, для того чтобы было возможно циклическое перекрывание орбиталей; б) все связывающие орбитали должны быть полностью заполнены. Последнее условие выполняется в циклических системах с числом л-электронов, равным 4п-j- 2* (правило Хюккеля), чаще всего в ароматических соединениях при п = 1, т. е. для структур, содержащих шесть л-электронов. Десять л-электронов (п = 2) имеются в молекуле нафталина (12), энергия стабилизации которого равна 255 кДж/моль (61 ккал/моль), по 14л-электронов (п = = 3) —в молекулах антрацена (13) и фенантрена (14), энергии стабилизации которых равны 352 и 380 кДж/моль (84 и 91 ккал/моль) соответственно.
(14)
14л-электронов (п = 3)
(12)
Юл-электронов (п = 2)
(13)
14л-электронов (п = 3)
Хотя названные соединения ие являются моноциклическими, как бензол, и для них правило Хюккеля не может строго выполняться, наличие связи, соединяющей противолежащие атомы кольца и превращающей эти молекулы в би- и трициклические соответственно, приводит лишь к относительно небольшим нарушениям их ароматичности, поскольку сохраняет делокализацию л-электронов в циклических структурах, содержащих десять или четырнадцать атомов углерода.
* Важно отметить, что цнклооктатетраен, содержащий 8 л-электронов (4л; л = 2), как уже было показано, не является ароматическим соединением (см. разд. 1.3.6).
27
Известны также квазиароматические структуры, в которых стабилизированная циклическая форма является ионом. Примерами таких структур являются циклогептатриенил-катион (тро-пилий) (15) (см. разд. 5.2) и циклопентадиенил-анион (16) (ср. разд. 10.2), в которых имеется по бл-электронов (п — 1) и, что особенно удивительно, циклопропенил-катион (17) (ср. разд. 5.2), который имеет 2л-электрона (п = 0):
А
(15)	(16)	(17)
Кольцевая структура необязательно должна быть чисто карбоциклической: например, пиридин (18) (ср. разд. 6.9), содержащий атом азота в кольце и бл-электронов (п = 1), так же высоко стабилизирован, как бензол:
(18)
Ценный экспериментальный критерий ароматичности молекул, кроме выше упомянутых, дает метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) *. Положение сигнала протона в спектре ЯМР зависит от природы, а точнее, от локального окружения атома углерода (или другого атома), с которым связан протон. Так, например, сигнал протона циклооктатетраена наблюдается при 6 5,6 (это типично для протонов неароматического циклического полиена), тогда как сигнал протона в случае бензола наблюдается при 6 2,8, что характерно для типичных ароматических соединений.	( ,
1.3.7. Условия делокализации электронов
Трудность нахождения адекватного способа изображения связей между атомами углерода в бензоле ясно указывает, что обычно используемый химиками способ изображения связей между атомами в виде одной, двух или трех черточек, обозначающих участие в этих связях соответственно двух, четырех или шести электронов, совершенно неудовлетворителен. В действительности в образовании некоторых связей участвуют другие и даже дробные числа электронов. Это можно видеть на примере эта-ноат-аниона (19) (ацетат-анион), в котором, по данным рентгеноструктурного анализа, атомы кислорода неразличимы, а обе
* Полезный пример использования ЯМР (н других) спектров можно найти в работе: Williams D. Н., Fleming I. Spectroscopic Methods in Organic Chemistry. McGraw-Hill, 3rd Edition, 1980.
28
углерод-кислородные связи имеют одинаковые межатомные расстояния, т. е. содержат одинаковое число электронов.
Этн трудности привели к тому, что молекулы, структуры которых не могут быть описаны в виде одной классической формулы, стали изображать комбинацией двух или большего числа классических структур, так называемых канонических структур, связанных стрелками с двумя остриями (-*->-). Путь, по которому одна из этих структур может переходить в другую, часто указывают с помощью изогнутой стрелки, «хвост» которой показывает, откуда движется электронная пара, а ее острие — куда она движется *:
сн3с
0~
(19)	(19а)	(196)	(19аб)
Нельзя, однако, слишком настаивать на том, что этаноат-анион имеет не две возможные альтернативные, быстро взаимо-превращающиеся структуры, а лишь одну, реальную структуру (19аб), иногда рассматриваемую в качестве гибридной, по отношению к которой классические канонические структуры (19а) и (196) могут рассматриваться как предельные приближения.
При рассмотрении делокализации и изображения ее посредством двух или более классических структур следует иметь в виду определенные ограничения. Вообще говоря, чем больше канонических структур может быть написано для данного соединения, тем, следовательно, выше степень делокализации электронов и тем стабильнее должно быть такое соединение. Эти структуры не должны слишком отличаться друг от друга по уровню энергии, в противном случае структура с более высокой энергией будет вносить слишком малый вклад в гибридную структуру и практически не будет участвовать в ее образовании. Эффект стабилизации выражен особенно сильно, если канонические структуры равноценны по энергии, как в приведенных выше структурах (19а) и (196). Структуры с разделенными зарядами (ср. разд. 1.5.2) также можно рассматривать в качестве канонических, однако при прочих равных условиях они обычно богаче энергией, чем структуры, в которых отсутствует разделение заряда, и, следовательно, вносят меньший вклад в образование гибридной структуры. Все канонические структуры
* В последующем изложении, одиако, канонические структуры, например, такие как (19а) и (196), связанные стрелкой с двумя остриями, даиы без изогнутых стрелок. Изогнутые стрелки применяются в дальнейшем для обозначения реального перемещения электронных пар, например при образовании и расщеплении связей в ходе реальной реакции.
29
должны содержать одинаковое число спаренных электронов, и взаимное расположение всех входящих в молекулу атомов должно быть одним и тем же. Для того чтобы делокализация была значительной, все атомы, связанные с ненасыщенными центрами, должны лежать в одной плоскости или вблизи нее. Ниже обсуждены примеры, когда делокализация, а следовательно, и стабилизация практически невозможны из-за пространственных затруднений (см. разд. 1.6).
1.4. Разрыв и образование связей
Разрыв ковалентной связи между двумя атомами может про
исходить по-разному:
R • + X •	R:X
R:+X+
R+ + :X
В случае а каждый атом отделяется с одним электроном, что приводит к образованию частиц, называемых радикалами и обладающих высокой реакционной способностью вследствие наличия неспаренного электрона; такой разрыв называют гомолитическим расщеплением связи. В случаях бив один атом может удерживать оба электрона, оставляя другой атом без электронов, в результате чего возникают отрицательный и положительный ионы соответственно. Если атомы R и X неидентичны, расщепление может идти по одному из таких путей в зависимости от того, какой атом — R или X — удерживает пару электронов. Такого рода разрывы носят название гетеролитиче-ского расщепления и приводят к образованию ионной пары. Образование ковалентной связи может происходить путем обращения любого из этих процессов, а также, безусловно, путем атаки других частиц только что образовавшимися радикалами и ионами (см. разд. 5.3 и 11.5.2.1):
R • + Вг—Вг —► R—Вг + Вг •
R++ Н2О —► R—ОН + Н+
Как будет показано ниже, радикалы или ионные пары образуются как активные промежуточные соединения в очень большом числе органических реакций. Реакции, включающие образование радикалов, протекают преимущественно в газовой фазе и в растворах неполярных растворителей; онн катализируются светом или добавлением других радикалов (см. разд. 11.1). Реакции, включающие образование ионных интермедиатов, быстрее протекают в полярных растворителях из-за более легкого разделения заряда в таких растворителях и, очень часто, из-за стабилизации образующихся ионных пар вследствие сольвата-
30
ции. Считают, что многие из этих ионных интермедиатов несут заряд на каком-то атоме углерода, хотя такие ионы часто стабилизируются в результате делокализации заряда (в большей или меньшей степени) между другими атомами углерода или атомами иных элементов:
~сн2=сн—сн2"
•• н+	+	—н2о	.
СН2=СН—СН2—ОН ч --ь СН2=СН—СН2—ОН2 <	»	Т
_сн2—сн=сн2_
О	Г °	О’ 1
II -он II -	1
СНз—С—СНз =г=* LCH3—С—СН2 -<-4- СНз—С=СН2 J + Н2О
Если атом углерода несет положительный заряд, соединение называют карбокатионом, а если отрицательный заряд — карбанионом. Хотя такие ионы могут образоваться только временно и присутствовать лишь в очень низких концентрациях, тем не менее они часто чрезвычайно важны для результата реакции, в которой они участвуют.
Кроме радикалов, карбокатионов и карбанионов известны и другие интермедиаты, в которых атом углерода является активным центром; к ним относятся интермедиаты, включающие электронодефицитные частицы: карбены R2C: (см. разд. 9.8), нитрены RN: (см. разд. 5.6), а также арины (см. разд. 6.10).
••
1.5. Факторы, влияющие на доступность электронов
Учитывая изложенное выше, можно ожидать, что любые факторы, которые влияют на относительную доступность электронов (на электронную плотность) в определенных связях или на определенных атомах данного соединения, могут очень сильно влиять на его реакционную способность при взаимодействии с определенным реагентом. Область с высокой электронной плотностью атакуется, например, анионом ~ОН, с трудом или вообще не атакуется, в то время как область с низкой электронной плотностью атакуется легко; обратная картина будет наблюдаться в случае положительно заряженного реагента. К настоящему времени уже выявлен ряд таких факторов.
1.5.1. Индуктивный эффект и эффект поля
В случае простой ковалентной связи между двумя неодинаковыми атомами пара электронов, образующая ст-связь, никогда не поделена абсолютно поровну между двумя атомами, она несколько смещена к более электроотрицательному атому. Так, в алкилхлориде (20) электронная плотность несколько выше
31
у атома хлора, чем у атома углерода, так как первый более электроотрицателен; в общем виде это представлено в структурах (20а) и (206):
\в+ 6-	\
—С—С1	— С->С1
(20а)	(206)
Если атом углерода, связанный с атомом хлора, соединен и с другими атомами углерода, то этот эффект может передаваться по цепи:
4	3	2	1
С—С—С->С->->С1
Частичное оттягивание атомом хлора электронов связи углерод — хлор приводит к тому, что атом С-1 становится электронодефицитным; это в свою очередь вызывает смещение электронов, образующих связь между атомами С-1 и С-2 и далее по цепи. Однако влияние атома С-1 на С-2 меньше, чем влияние атома С1 на С-1; передача этого влияния быстро затухает в насыщенной цепи и после С-2 становится настолько мала, что его трудно обнаружить. Подобное влияние на распределение электронов в о-связях известно как индуктивный эффект.
Кроме индуктивного эффекта, действующего в соединении через связи, практически аналогичный эффект может проявляться или через пространство, окружающее молекулу, или — в растворе— с участием молекул растворителя, которые окружают молекулу данного соединения. Во многих случаях, однако, невозможно различить действие индуктивного эффекта как такового и очень сходного с ним (и действующего в том же направлении) эффекта поля. Следовательно, говоря об индуктивном эффекте, необходимо учитывать, что индуктивный эффект включает и эффект поля *.
Большинство атомов и групп, связанных с атомом углерода, оказывают такое же индуктивное влияние и в том же направлении, что и атом хлора, т. е. они оттягивают электроны от атома углерода вследствие большей, по сравнению с ним, электроотрицательности; исключение составляют алкильные группы, являющиеся донорами электронов**. Хотя индуктивный эффект в количественном -отношении довольно невысок, он ответствен за
* Во многих случаях индуктивный эффект и эффект поля были разделены: при этом исходили из того, что индуктивный эффект зависит только от природы связей, а эффект поля определяется геометрией молекулы (см. обсуждение этих понятий в кн.: Марг Дж. Органическая химия: Пер. с англ./Под ред. И. П. Белецкой. М.: Мир, 1987. С. 32).— Прим. ред.
** Атомы металлов, например, в литийалкилах или реактивах Гриньяра (эти соединения содержат в основном ковалентные связи) также являются донорами электронов; это приводит к отрицательно поляризованному атому углерода в каждом случае: R-«-Li и R-«-MgHal (ср. разд. 8.4).
32
возрастание основности, которое наблюдается при замещении одного из атомов водорода в молекуле аммиака на алкильную группу (см. разд. 3.2.2), и отчасти объясняет более легкое замещение атомов водорода в ароматическом кольце метилбен-зола по сравнению с бензолом (см. разд. 6.7.1.2).
Индуктивные эффекты приводят к поляризации молекулы в ее основном состоянии и поэтому отражаются на ее физических характеристиках, например на дипольном моменте.
1.5.2.	Мезомерный эффект (эффект сопряжения)
Мезомерный эффект также является результатом перераспределения электронов, которое происходит в ненасыщенных и, особенно, в сопряженных системах с участием их л-орбиталей. Например, свойства карбонильной группы (см. разд. 7.6.3) полностью не описываются ни классической формулой (21а), ии граничной структурой (216), получаемой путем сдвига л-элек-тронов:
(21а)	(216)	(21аб)
Действительная структура представляет собой нечто промежуточное, т. е. гибрид (21аб), для которого структура (21а) и (216) являются каноническими формами. Здесь также возможен индуктивный эффект, как это показано в структуре (21аб), но он гораздо меньше, чем мезомерный эффект, поскольку о-электроны намного меньше поляризуются и поэтому менее подвижны, чем л-электроны.
Если группа С=О сопряжена со связью С=С, поляризация может передаваться дальше посредством л-электронов, как, например, для соединения (22):
СН СН
АД
СН СН
МеХ \fi\r
(22а)	(226)
Г б+
С(1 ZCH м/ xffV' (22аб)
При этом происходит делокализация заряда (ср. с 1,3-дие-нами; разд. 1.3.5), что приводит к нехватке электронов на атомах С-3 и С-1, как в простом карбонильном соединении. Различие между такой передачей через сопряженную систему и индуктивным эффектом в насыщенной системе состоит в том, что в данном случае при передаче по цепи эффект ослабляется в гораздо меньшей степени, а полярность соседних атомов углерода чередуется.
2 П. Сайкс
33
Стабилизация вследствие делокализации положительного или отрицательного заряда в ионе с участием его л-орбиталей может явиться основным фактором, обусловливающим образование соответствующего иона (ср. разд. 3.1.2). Например, стабилизация феноксид-иона (23) вследствие делокализации его заряда с участием делокализованных л-орбиталей ароматического кольца в значительной степени ответственна за кислотные свойства фенола (ср. разд. 3.1.3):
(23а)	(236)	(23в)	(23г)
Внешне сходная делокализация рованном феноле (24) с участием нов атома кислорода:
имеет место и в недиссоции-неподеленной пары электро-
+ОН	+0Н 1
(24а)	(246)	(24в)	(24г)
Но в этом случае происходит разделение заряда, вследствие чего такая делокализация будет соответственно менее эффективной, чем при стабилизации феноксид-иона.
Мезомерные эффекты, подобно индуктивным, вызывают поляризацию молекул в их основных состояниях и поэтому сказываются на физических свойствах соединений. Существенное различие между индуктивными и мезомерными эффектами состоит в том, что если индуктивные эффекты могут действовать как в насыщенных, так и в ненасыщенных соединениях, то мезомерные эффекты могут действовать только в ненасыщенных и, особенно, в сопряженных соединениях. Индуктивные эффекты связаны с электронами ст-связей, а мезомерные — с электронами л-связей и орбиталей. Индуктивные эффекты передаются только на сравнительно короткие расстояния в насыщенной цепи, в то время как мезомерные эффекты могут передаваться от одного конца сравнительно больших молекул к другому при условии наличия сопряжения (т. е. делокализованных л-орбиталей).
1.5.3.	Динамические эффекты
Некоторые исследователи пытались найти различия между такими эффектами, как два рассмотренных выше, которые обусловливают поляризацию молекул в основном состоянии, и
34
теми изменениями распределения электронов, которые происходят при приближении реагента или, в более частном случае, обусловлены образованием соответствующего переходного состояния после первоначальной атаки молекулы (см. разд. 2.2.2). Эти изменяющиеся во.времени эффекты, по аналогии с рассмотренными выше постоянно действующими, были названы соответственно индуктомерными и электромерными эффектами. Можно считать, что такие эффекты обусловливают скорее поляризуемость, чем поляризацию, поскольку распределение электронов возвращается к таковому в основном состоянии атакованной молекулы, если реагент удаляется до того, как реакция прошла, или если образовавшееся переходное состояние распадается с образованием исходных веществ.
Такие изменяющиеся во времени эффекты, будучи по существу временными, не должны, конечно, отражаться на физических свойствах соответствующих соединений. Часто невозможно экспериментально разграничить постоянные и изменяющиеся во времени эффекты, однако следует подчеркнуть, что приближение реагента может оказать глубокое влияние, увеличивая реакционную способность реагирующей молекулы и облегчая тем самым реакцию.
1.5.4.	Сверхсопряжение (гиперконъюгация)
Индуктивный эффект алкильных групп, как и следовало ожидать, уменьшается в ряду.
Me.	..
\	Ме^.
Ме->С-> >	С.СН-»- >Ме-<-СН2—► >СН3~►
м/	ме
Однако, если алкильные группы связаны с ненасыщенной системой, например с двойной связью или бензольным кольцом, этот порядок нарушается и в случае некоторых сопряженных систем изменяется на обратный. Таким образом, по-видимому, алкильные группы способны при некоторых обстоятельствах вызывать смещение электронов с помощью механизма, отличного от индуктивного эффекта. Это удалось объяснить, расширив понятие сопряжения или мезомерного эффекта и предположив, что делокализация электронов происходит с участием электронов. соседних ст-связей:
Н	Н+
I
н—с—сн=сн2 -<-► н—с=сн—сн2 I	I
н	н
(25а)	(256)
2*
3S
(26а)	(266)	(26в)	(26г)
Этот эффект получил название сверхсопряжения (гиперконъюгации) ; с его помощью удалось объяснить ряд непонятных ранее явлений. Следует подчеркнуть, что в действительности не происходит отщепление протона в соединениях (25) или (26), поскольку, если он переместится из первоначального положения, то одно из условий, необходимых для делокализации, будет нарушено (см. разд. 1.3.7).
Обращение ожидаемого (индуктивного) ряда электронодонорных свойств (СНз > МеСНг > МегСН > Ме3С) можно объяснить тем, что эффект гиперконъюгации зависит от наличия атомов водорода, связанных с а-углеродным атомом ненасыщенной системы. Ясно, что эффект гиперконъюгации должен быть максимальным у СН3-группы [(25)] и отсутствовать у Ме3С-группы [(29)]:
Н	Me
I	I
н—с—сн=сн2 н—с—сн=сн2
I	I
н	н
(25)	(27)
Me I Me—С— СН=СН2 I н
(28)
Me I Me—С— СН=СН2 1 Me
(29)
В гиперконъюгации могут участвовать как С—С-, так и С—Н-связи, а различия в относительной реакционной способности, наблюдаемые в каком-либо ряду соединений, в действительности могут быть результатом не только эффекта гипер-коиъюгации, ио и действия растворителя.
Эффект гиперконъюгации был использован для объяснения большей термодинамической устойчивости таких алкеиов, у которых двойная связь не является концевой, например в соединении (30), по сравнению с изомерными соединениями с концевой двойной связью, например ,(31); в соединении (30) имеется девять а-водородных атомов, способных участвовать в гиперконъюгации, а в соединении (31) — только пять:
CHS
I
СНз—с=сн—сн»
(30)
СНз I МеСН2—С=СН2
(31)
36
В результате этого преимущественно образуются алкены с неконцевой двойной связью в реакциях, в которых возможно также образование соответствующих изомеров с концевой двойной связью, а также наблюдается очень быстрая изомеризация менее стабильного соединения в более стабильное, например (31)->-(30).
1.6. Стерические эффекты
До сих пор обсуждались факторы, которые могут влиять на относительную доступность электронов в связях или на отдельных атомах соединения и, следовательно, определять реакционную способность этого соединения. Действие этих факторов, однако, может быть изменено или даже исключено под влиянием стерических факторов; например, эффективная делокализация с участием орбиталей может происходить только в том случае, если р- или л-орбитали на атомах, участвующих в делокализации, могут стать параллельными или почти параллельными. Если же это условие не выполняется, то не происходит перекрывания орбиталей и делокализация может быть нарушена. В качестве примера можно рассмотреть А\2У-диметиланилин (32) и его 2,6-диалкилпроизводные, например (33). Группа NMe2 соединения (32), будучи электронодонорной (из-за наличия непо-деленной пары электронов на атоме азота, взаимодействующей с делокализованными л-орбиталями ароматического кольца), облегчает атаку кольца катионом диазоиия PhN2> например, в реакции азосочетания; это приводит к замещению в пара-положение (ср. разд. 6.7.1.3):
(32)
PhN=N +
PhN^ ----->
Однако 2,6-диметильное производное (33) не подвергается азосочетанию в этих условиях, несмотря на то что введенные в молекулу метильные группы малы по объему и не могут мешать атаке в пара-положение. Отсутствие сочетания по этому положению обусловлено в действительности тем, что две метильные группы, находящиеся в орто-положениях по отношению к группе NMe2, создают пространственные затруднения двум метильным группам, связанным с атомом азота, для расположения их в плоскости бензольного кольца. Это означает, что р-орбитали атома азота и атома углерода кольца, с которым связан азот, не могут расположиться параллельно друг к другу и их перекрывание
37
ингибируется. Электронное взаимодействие с ароматическим кольцом поэтому сильно затрудняется, и перенос заряда, как это было в соединении (32), в этом случае не происходит (ср. разд. 3.2.3),
Наиболее обычным стерическим эффектом является классическое пространственное затруднение, при котором достаточно объемистые группы непосредственно влияют на реакционную способность того или иного участка молекулы, затрудняя подход реагента к реакционному центру или создавая напряжение в переходном состоянии (ср. разд. 2.2.1), и не влияют на доступность электронов. Это явление было тщательно исследовано в связи с проблемой устойчивости комплексов, образуемых триме-тилбором с различными аминами. Так, комплекс (34), образованный с триэтиламином, диссоциирует очень легко, тогда как комплекс (35) с хинуклидином очень стабилен, так как в нем три этильные группы, связанные с атомом азота, оттянуты «назад», что исключает возможность образования конформации, в которой могли бы возникнуть стерические препятствия атаке по атому азота:
(34)	(35)
Тот факт, что это различие не обусловлено различной доступностью электронов атомов азота в этих соединениях, подтверждается тем, что оба эти амина очень мало отличаются по основности (ср. разд. 3.2.4) захват протона сопряжен с гораздо меньшими стерическими помехами, чем захват относительно громоздкой группы ВМе3. Среди других реакций особенно чувствительными к пространственным затруднениям можно назвать этерификацию и гидролиз сложных эфиров (ср. разд. 8.6.3).
Следует подчеркнуть, что такое стерическое ингибирование является крайним случаем; любые факторы, которые нарушают Или тормозят определенную взаимную ориентацию реагирующих
38
частиц, мешая им приблизиться друг к другу, также могут оказывать решающее влияние на скорость реакции; это часто встречается в реакциях биологических систем.
1.7. Классификация реагентов
Ранее уже были упомянуты электронодонорные и электроноакцепторные группы и их способность обогащать или обеднять определенные участки молекулы электронами. Такие группы, несомненно, влияют на тип реагента, с которым данное соединение будет наиболее легко взаимодействовать. Богатое электронами соединение, например феноксид-анион (36), наиболее легко атакуется положительно заряженными катионами, например катионом диазония CeHsN^ (см. разд. 6.6) или другими соединениями, которые хотя и не являются катионами, но содержат электронодефицитный атом или центр, например атом серы в триоксиде серы (37) (в реакции сульфирования; см. разд. 6.4):
(36а)	(366)
б- 6+++/'° а
ч'Об
(37)
Такие реагенты, поскольку они стремятся атаковать субстрат в положение (или положения) с высокой электронной плотностью, называют электрофильными реагентами, или электрофилами.
Наоборот, электронодефицитный центр, например атом углерода в хлорметане (38), наиболее легко атакуется анионами, такими как ~ОН, -CN и т. д., или другими частицами, которые, не являясь истинными анионами, содержат атом или центр, богатые электронами, например атом азота в аммиаке H3N: или аминах R3N:. Такие реагенты вследствие их тенденции атаковать субстрат в положение (или положения) с низкой электронной плотностью, т. е. в участке, где заряд атомного ядра не полностью компенсирован орбитальными электронами, называют нуклеофильными реагентами, или нуклеофилами.
в+ в-
Н3С->С1 (38)
Необходимо отметить, что для преимущественного направления реакции достаточно даже слегка асимметричного распределения электронов. Наличие полного заряда на реагирующей частице, конечно, помогает протеканию реакции, но ни в коей мере не является обязательным. Действительно, требующееся асимметричное распределение заряда может быть индуцировано
39
в результате взаимной поляризации реагента и субстрата при их сближении, например при взаимодействии брома с этеном (см. разд. 7.1).
Электрофилы и нуклеофилы можно рассматривать как частные случаи кислот и оснований. Классическое определение кислот и оснований основано на том, что кислоты являются донорами протонов, а основания — акцепторами протонов. Более общее определение было дано Льюисом, который определил кислоты как соединения, способные принимать электронные пары, а основания — как соединения, которые могут предоставлять такие пары. Под это определение подходит ряд соединений, которые ранее не считали кислотами или основаниями. Например, трифторид бора (39) действует как кислота, принимая пару электронов атома азота триметиламина с образованием комплекса (40), и поэтому его называют кислотой Льюиса.
F3B-|-:NMe3	F3B:NMe3
(39)	(40)
Электрофилы и нуклеофилы в органических реакциях можно рассматривать как акцепторы и доноры электронов соответственно, принимающие их от одних атомов и отдающие их другим атомам, чаще всего атомам углерода. Электрофилы и нуклеофилы имеют, конечно, сходство с окисляющими и восстанавливающими агентами, поскольку первые рассматривают как акцепторы электронов, а вторые — как доноры электронов. Наиболее часто встречающиеся электрофилы и нуклеофилы приведены ниже (звездочкой отмечены атомы, которые принимают электроны от субстрата или передают их ему):
Электрофилы'. Н+, Н3О+, +NO2, +NO, PhNJ, R3C+,
SO3, CO2, BF3, A1C13, ICl, Br, O3.
Нуклеофилы: H-, BF^, HSOJ, HO~, RO”, RS , 'CN, RCOL RC=C~, ~CH(CO2Et)2 (41)
He всегда можно четко разграничить реагент и субстрат; так, +NO2, “ОН R т. д. обычно рассматриваются как атакующие реагенты, а карбанион (41) в зависимости от условий может быть атакующим реагентом или субстратом, когда взаимодействует, например, с алкилгалогенидом. Действие карбаниона на алкил-галогенид является нуклеофильной атакой, тогда как действие алкилгалогенида на карбанион можно рассматривать как электрофильную атаку; однако независимо от этого сущность этой реакции остается неизменной.
40
Следует напомнить, что существуют реакции, протекающие с участием радикалов. Эти реакции гораздо менее чувствительны к изменениям электронной плотности в субстрате по сравнению с реакциями, включающими промежуточные соединения полярной природы. Однако на эти реакции сильно влияет,добавление даже следовых количеств веществ, способных образовывать или связывать радикалы (подробнее см. разд. 11.5).
1.8. Классификация реакций
Можно назвать четыре основные типа реакций, в которых участвуют органические соединения: замещение (вытеснение), присоединение, элиминирование, перегруппировки.
В реакциях первого типа замещение обычно происходит у атома углерода, но замещаемый атом может быть атомом водорода или каким-либо другим атомом или группой атомов. Прн электрофильном замещении чаще всего замещается атом водорода; хорошим примером этого служит классическое ароматическое замещение (см. разд. 6.1):
no2 + н+
2
При нуклеофильном замещении чаще замещается не атом водорода, а другие атомы (см. разд. 4.1), например:
NC~ + R—Вг —► NC—R + Вг"
Однако известны реакции нуклеофильного замещения атома водорода (см. разд. 6.10), а также реакции замещения, индуцируемые радикалами, например галогенирование алканов (ср. разд. 11.5.2).
Реакции присоединения также могут быть электрофильными, нуклеофильными или радикальными в зависимости от типа частиц, инициирующих процесс. Присоединение к обычным двойным углерод-углеродным связям индуцируется, как правило, электрофилом или радикалом. Например, присоединение НВг
Н
\	/ НВг \ |	/
чс=с7 -----х—с;
/	\ /	|\
Вг
может начинаться с атаки двойной связи протоном Н+ (см. разд. 7.3) или радикалом Вг • (см. разд. 11.5.1.2). В отличие от этого, реакции присоединения, идущие с участием двойной связи углерод — кислород в простых альдегидах и кетонах, являются обычными нуклеофильными реакциями (см. разд. 7.6.3).
41
Примером может служить катализируемое основанием образование циангидрина в жидком HCN:
"CN ч ,0“ —	> ;сС
медленно '
нем ч ОН
^^/C\CN + "CN
Реакции элиминирования по существу обратны реакциям присоединения; наиболее обычный тип такой реакции — отщепление атома водорода и другого атома или группы от соседних атомов углерода с образованием алкенов (см. гл. 9):
Н	Н
Перегруппировки также могут протекать через промежуточные соединения, представляющие собой катионы, анионы или радикалы; чаще всего эти реакции идут с образованием карбокатионов или других электронодефицитных частиц. Перегруппировки могут включать существенную перестройку углеродного скелета, как, например, в ходе превращения 2,3-диметилбутан-диола-2,3 (пинакол) (42) в 2,2-диметилбутанон-З (пинаколон) (43) (ср. разд. 5.4.2.3):
НО ОН	О
I I н+	II
Ме2С—СМе2 ----->- Ме3С—СМе
(42)	(43)
За-стадией собственно перегруппировки в таких реакциях часто следуют стадии замещения, присоединения или отщепления, приводящие к образованию стабильного конечного продукта.	>
Глава 2
ЭНЕРГЕТИКА, КИНЕТИКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ РЕАКЦИЙ
2.1.	Энергетика реакции............................................43
2.2.	Кинетика реакции..............................................46
2.2.1.	Скорость реакции и свободная энергия активации..........47
2.2.2.	Кинетика и скоростьлимитирующая	стадия.................49
2.2.3.	Кинетический и	термодинамический	контроль..............52
42
2.3.	Исследование механизмов реакций...............................53
2.3.1.	Идентификация продуктов реакции	.	....................53
2.3.2.	Кинетические доказательства.............................54
2.3.3.	Изотопные эффекты...................................... 56
2.3.4.	Идентификация промежуточных соединений..................59
2.3.5.	Стереохимические доказательства.........................61
Выше были рассмотрены электронные и стерические факторы, которые могут влиять на реакционную способность каких-либо соединений в определенных условиях, а также типы реагентов, которые будут легко атаковать определенные центры таких соединений. Однако почти ничего не было сказано о том, каким образом электронные и стерические факторы влияют на энергетические и кинетические характеристики, определяющие направление и скорость реакции. Такие характеристики не в меньшей мере важны и потому, что они могли бы существенно облегчить понимание механизмов рассматриваемых реакций.
2.1.	Энергетика реакции
Один из вопросов, возникающих при изучении превращения исходных веществ в продукты реакции, состоит в том, насколько «далеко» может пройти реакция в сторону образования конечных продуктов. Поскольку любая система стремится к наиболее устойчивому состоянию, можно ожидать, что чем более устойчивы продукты реакции по сравнению с исходными веществами, тем более равновесие между ними будет смещено в сторону продуктов, т. е. чем больше Аустойчивости (рис. 2.1), тем в большей степени исходные вещества должны превращаться в продукты.
Очевидно, однако, что просто изменение общей энергии при переходе от исходных веществ к продуктам реакции, которое можно легко определить путем измерения теплоты реакции А/7*, не может служить мерой различия их устойчивости, поскольку часто не наблюдается непосредственной корреляции между значениями АН и константой равновесия реакции К. Известны сильно экзотермические реакции с малыми константами равновесия (небольшая степень превращения исходных веществ в продукты) и некоторые реакции с большими константами равновесия, являющиеся фактически эндотермическими (энтальпия продуктов реакции выше, чем энтальпия исходных веществ); это ясно указывает на то, что при оценке относительной устойчивости химических соединений кроме энтальпии необходимо учитывать какой-то дополнительный фактор.
* Величина И является мерой теплосодержания, или энтальпии, соединения; ДЯ имеет знак минус, если продукты реакции имеют более низкое теплосодержание, чем исходные вещества: в этом случае, когда имеет место уменьшение энтальпии, реакция является экзотермической.
43
г
Исходные дешестда
в
*» Ё
Продукты
Этот вывод находится в соответствии со вторым законом термодинамики, согласно которому упорядоченные системы стремятся к разупорядоче-нию; мерой степени разупорядоченности системы является ее энтропия S. В поисках наи-Рис. 2.1.	большей устойчивости систе-
мы стремятся к минимальному значению энергии (т. е. к минимуму энтальпии) и к максимуму энтропии (беспорядок или случайность). Таким образом, условия, отвечающие относительной устойчивости системы, должны определяться компромиссом между значениями Н и S, что выражается свободной энергией Гнббса G, определяемой уравнением:
G = Н - TS,
где Т — абсолютная температура.
Изменение свободной энергии в ходе реакции при данной температуре:
bG = Mi -TbS.
Показано, что стандартное изменение свободной энергии при переходе от исходных веществ к продуктам реакции, AG° (AG° характеризует изменение свободной энергии в стандартных условиях: при активности, равной единице; менее точно — в расчете на I моль при давлении 1 атм) связано с константой равновесия /С уравнением:
— ДО° = 2,303/?Г 1g К, т. е. чем сильнее уменьшается свободная энергия (поэтому минус AG°) при переходе от исходных веществ к продуктам реакции, тем больше К. и тем больше равновесие сдвинуто в сторону продуктов реакции. Очевидно, что минимальное значение свободной энергии соответствует равновесию между исходными веществами и продуктами реакции. В реакции, в которой свободная энергия не изменяется (AG° = 0), /С = I, что соответствует 50 %-му превращению исходных веществ в продукты реакции. Возрастанию положительных значений AG° соответствует быстрое уменьшение /С (поскольку эта величина стоит под знаком 1g), соответствующее чрезвычайно малому превращению исходных веществ в продукты, и наоборот, возрастанию отрицательных значений AG° соответствует быстрое увеличение /С. Так, изменению свободной энергии AG°, равному —42 кДж/моль (—10 ккал/моль), соответствует значение константы равновесия, равное ~107, т. е. исходные вещества практически пол-
44
иостью превращаются в продукты реакции. Знание стандартных свободных энергий исходных веществ и продуктов, которые определены для большого числа органических соединений, дает возможность предсказать ожидаемую степень превращения исходных веществ в продукты.
Вклад члена А/Лв изменение свободной энергии может быть оценен по разности энергии связей исходных веществ и продуктов; приблизительное значение А// для данной реакции часто может быть предсказано, исходя из табличных значений стандартных энергий связи. Вряд ли неожиданным является тот факт, что в первую очередь на основании данных А// были составлены таблицы средних значений энергий связи!
Энтропийный член не может быть объяснен так же просто, но его обоснованно связывают с числом возможных путей, с помощью которых суммарная энергия системы может быть распределена между составляющими ее молекулами, а также с числом возможных способов, при помощи которых энергия каждой молекулы может быть распределена на поступательную, вращательную и колебательную составляющие (из которых поступательная, вероятно, самая большая). Так, для реакции А В + С, в ходе которой происходит увеличение числа частиц при переходе от исходных веществ к продуктам реакции, должна, вероятно, заметно возрастать энтропия из-за увеличения поступательных степеней свободы. В таких случаях член —TAS может оказаться достаточным для того, чтобы уравновесить член -(-А// в эндотермической реакции и обеспечить общее уменьшение свободной энергии AG; в результате состоянию равновесия будет соответствовать высокая концентрация продуктов. Если же реакций экзотермична (член А// отрицателен), то AG будет, конечно, даже более отрицателен, а константа равновесия /С соответственно еще больше. Когда число реагирующих частиц уменьшается при переходе от исходных веществ к продуктам реакции, энтропия уменьшается (член AS отрицателен):
А + В С	Дб = ДН — (—) Г ДЗ.
Поэтому до тех пор, пока реакция не будет достаточно экзотермична (член А// отрицателен и довольно велик), чтобы уравновесить это снижение AS, значение AG будет положительным и равновесие будет смещено в сторону исходных веществ.
Реакции циклизации, например циклизация алкенов, также могут сопровождаться уменьшением энтропии:
Н2С—СН2
СН3(СН2)3СН==СН2 +=> Н2С\ /СН2
Н2С—сн2
45
В этом случае поступательная составляющая энтропии может и не изменяться, однако вращательная составляющая уменьшается, так как в циклическом продукте, в отличие от линейного углеводорода, сильно ограничено вращение вокруг простой уг-лерод-углеродиой связи. Вращательный компонент энтропии, однако, меньше, чем поступательный компонент, что проявляется в реакциях, где число реагирующих частиц уменьшается при образовании продуктов. Это положение иллюстрируется преимущественным образованием внутримолекулярных водородных связей по сравнению с межмолекулярными водородными связями в случае 1,2-диолов:
внутримолекулярная
водородная связь
межмолекулярная
водородная связь
Не следует упускать из виду, что энтропийный член (TAS), в отличие от энтальпийного члена (А//), включает температуру, поэтому их относительные вклады в изменение свободной энергии для одной и той же реакции зависят от температуры ее проведения.
2.2.	Кинетика реакции
Отрицательное значение AG° является необходимым условием для того, чтобы реакция вообще протекала в данных условиях. Однако этого условия недостаточно, так как оно ничего не говорит о том, насколько быстро исходные вещества превращаются в продукты реакции. Так, для реакции окисления целлюлозы:
(CeHioOs)^ Т" 6/zOg	6/zCOa Т- блНдО
значение AG° отрицательно, а абсолютное ее значение достаточно велико, в результате чего равновесие практически полностью смещено в сторону продуктов СОг и НгО, однако газету (в основном состоящую из целлюлозы) можно читать на воздухе (и даже в кислородной палатке!) в течение длительного времени без опасности превращения ее в газообразные продукты, так как скорость превращения целлюлозы в этих условиях чрезвычайно мала, хотя, конечно, увеличивается при более высоких температурах. Превращение исходных веществ в продукты реакции, несмотря на отрицательное значение AG°, почти никогда не протекает гладко (рис. 2.2); обычно на пути к продук-
46
там реакции молекулам исходных веществ приходится преодолевать энергетический барьер (рис. 2.3).
2.2.1.	Скорость реакции и свободная энергия активации
Точка х на энергетической диаграмме (см. рис. 2.3), характеризующей изменение свободной энергии в ходе реакции, соответствует наименее устойчивой конфигурации, через которую молекулы исходных веществ проходят на пути их превращения в продукты; эта конфигурация носит название активированного комплекса, или, как его чаще называют, переходного состояния. Следует подчеркнуть, что переходное состояние — это очень неустойчивое состояние, через которое реагирующие молекулы проходят в процессе реакции, а не дискретная молекулярная форма, или промежуточное соединение, которое реально может быть определено и даже выделено (ср. разд. 2.3.4). Примером переходного состояния может служить состояние (1) при щелочном гидролизе бромметана, в ходе которого связь НО—С образуется еще до полного разрыва связи С—Вг, и три атома водорода, связанные с атомом углерода, проходят через конфигурацию, в которой все Они лежат в одной плоскости (под прямым углом к плоскости бумаги):
Н
но"+ н
' н Н 4
6- \ Z 5-НО—С—Вг	—
Н
<	+ Вг~
Н
(D
Механизм этой реакции подробно рассмотрен ниже. Высоту барьера AG* (см. рис. 2.3) называют свободной энергией активации для данной реакции (чем выше этот барьер, тем медленнее идет реакция); можно считать, что она состоит из энтальпийного (А/7*) и энтропийного (Т AS*) членов:
AG* = \Н* - Т AS*.
47
Величина А/7* (энтальпия активации) соответствует энергии, необходимой для растяжения или даже разрыва связей, т. е. энергии, обеспечивающей возможность протекания реакции [например, растяжения связи С—Вт в переходном состоянии (1)J. Таким образом, реагирующие молекулы в момент столкновения должны обладать минимальным запасом энергии, для того чтобы реакция стала возможной (часто эту энергию называют просто энергией активации, ЕаКт, но связывают ее с величиной AW*- Хорошо известное увеличение скорости реакции при повышении температуры обусловлено по существу возрастанием доли молекул, запас энергии которых превышает требуемый минимум.
Значение Еакт для данной реакции может быть подсчитано на основе константы скорости реакции k (ср. разд. 2.2.1), определяемой экспериментально при двух различных температурах Ту и Т2, с использованием уравнения Аррениуса:
k = Ae~E/RT или lgA = — £акт/(2,303/?Г) + 1g Л,
где R — универсальная газовая постоянная, равная 8,32 Дж/(моль-град); А —константа реакции, не зависящая от температуры и пропорциональная той части столкновений от общего числа столкновений между реагирующими молекулами, которые приводят к успешному превращению в продукты реакции.
Энергия активации может быть получена графически в координатах lg k—1/Т или путем превращения приведенного выше уравнения в уравнение вида
1g (*i/M = — 2,303/? (у?-??)
и последующих расчетов.
Член AS* (энтропия активации) характеризует упорядоченность системы. Это мера изменения в степени организации, или упорядоченности, как самих молекул, так и распределения энергии между ними при переходе от исходных веществ к переходному состоянию; энтропия активации AS* определяет член А приведенного выше уравнения Аррениуса. Если для достижения переходного состояния необходима высокая степень организации в момент сближения реагирующих молекул друг с другом, а концентрация их энергии в отдельных связях может оказаться такой, что приведет к их окончательному разрыву, тогда достижение такого переходного состояния должно сопровождаться заметным уменьшением энтропии (неупорядоченности) и самой вероятности его образования.
48
2.2.2.	Кинетика и скоростьлимитирующая стадия
Экспериментальное исследование кинетики реакции состоит в измерении скоростей исчезновения исходных веществ и (или) появления продуктов реакции при данной (постоянной) температуре и в установлении зависимости скорости реакции от концентрации одного (или всех) реагирующего вещества. Ход реакции можно контролировать различными методами, например непосредственно, отбирая аликвотные части реакционной смеси и проводя титриметрическое определение, или косвенно, наблюдая колориметрические, кондуктометрические, спектроскопические и другие изменения. В каждом случае наиболее важной частью исследования является поиск зависимости полученных кинетических данных от концентрации; это осуществляют графически или путем расчетов. Так, для реакции
СН3Вг + ‘ОН —► СН3ОН + ВГ
кинетическое уравнение имеет вид:
Скорость = &[СН3Вг] ['ОН].
Величину k называют константой скорости данной реакции. Эту реакцию в целом следует считать реакцией второго порядка, но по отношению отдельно к СН3Вг и ~ОН она является реакцией первого порядка.
Такое совпадение стехиометрии и кинетического уравнения бывает довольно редким; обычно кинетическое уравнение можно вывести только с помощью экспериментально полученных данных. Так, для катализируемой основаниями реакции бромирования пропанона (ацетон)
-он
СН3СОСН3 + Вг2 ---СН3СОСН2Вг + НВг
находим следующее уравнение скорости реакции:
Скорость = &[СН3СОСН3] [”ОН],
т. е. ее скорость не зависит от концентрации брома, но зависит от концентрации ионов ~ОН (ср. разд. 10.5.6). Ясно, что, поскольку бром входит в состав конечного продукта, он должен участвовать в какой-либо из стадий реакции; но, очевидно, концентрация брома не влияет на стадию, скорость которой мы реально измеряем. Таким образом, суммарная реакция должна включать по крайней мере две стадии: в одной из них, скорость которой мы измеряем, бром не участвует, а в другой — участвует. В действительности очень немногие органические реакции являются одностадийными процессами, как это показано на рис. 2.3. Это можно показать на примере образования гексаметилентетрамина:
6СН2О + 4NH3 —► C6H12N4 + 6Н2О
49
Вероятность одновременного столкновения шести молекул СН2О и четырех молекул NH3 с образованием комплекса из десяти молекул практически равна нулю. Но даже в более простых случаях реакции обычно проходят через ряд последовательных стадий (часто с участием двух частиц), из которых мы определяем самую медленную, т. е. скорость-лимитирующую стадию * реакции, являющуюся как бы кинетическим «бутылочным горлышком» иа пути превращения исходных веществ в продукты реакции.
Как показано на рис. 2.4, исходные вещества превращаются через переходное состояние Xi в промежуточное соединение, которое затем распадается иа продукты реакции через второе переходное состояние х2. Видно, что для образования промежуточного соединения через х{ необходимо больше энергии (AG^AG?), чем для второй стадии, поэтому первая стадия должна быть более медленной, т. е. это именно та стадия, скорость которой реально измеряют в кинетических экспериментах. За этой стадией следует быстрое (требующее меньше энергии), ие лимитирующее скорость всей реакции превращение промежуточного соединения в продукты. Рассмотренное выше бромирование пропанона при определенных условиях может протекать по идеализированному пути, показанному иа рис. 2.4, во время которого медленное (скоростьлимитирующее) удаление протона под действием основания приводит к образованию промежуточного карбаииоиа (2), который претерпевает быструю (ие лимитирующую скорость) атаку бромом с образованием бромпропа-нона:
НО^Н	Вг-^Вг	вг
CH2COCH3-_°Hq > 4)Н2СОСНз-£^Ц>- СН2СОСН3 + Вг~ медленно (2)
Следует подчеркнуть, что хотя это объяснение соответствует кинетическому уравнению, полученному иа основе эксперимен
* Эту стадию часто называют «лимитирующей стадией». Имея в виду, что протекание органической реакции может лимитировать как кинетический, так и термодинамический фактор (см. разд. 2.2.3), при подготовке перевода было решено использовать термин «скоростьлимитирующая стадия», точнее соответствующий применяемому автором термину «rate-limiting step». — Прим. ред.
50
тальных данных, тем не менее это уравнение нельзя рассматривать как однозначное доказательство правильности этого объяснения. Полученное экспериментальным путем кинетическое уравнение содержит информацию о частицах, участвующих в реакции на скоростьлимитирующей стадии; это уравнение в действительности определяет состав, а не структуру переходного состояния скоростьлимитирующей стадии. Это уравнение не несет непосредственной информации ни о промежуточных соединениях, ни о частицах, которые участвуют в быстрых процессах, не являющихся скоростьлимитирующими.
При рассмотрении возможного влияния изменения условий, например растворителя, или структуры исходных веществ на скорость реакции следует выяснить, какой эффект эти изменения будут оказывать на устойчивость (свободную энергию) переходного состояния: любые факторы, способствующие стабилизации, должны привести к более быстрому образованию переходного состояния, и наоборот. Детальную информацию о богатых энергией переходных состояниях удается получить очень редко; самое лучшее, что можно реально сделать, — это рассматривать соответствующие промежуточные соединения как модели переходных состояний и выяснить, какой эффект можно ожидать в результате упомянутых изменений при использовании этих моделей. Такой подход не является бессмысленным; образующееся промежуточное соединение (см. рис. 2.4) достаточно jopoino соответствует (в рамках уровней свободной энергии) предшествующему ему переходному состоянию и может иметь сходную с ним структуру. Несомненно, что такое промежуточное соединение является гораздо лучшей моделью переходного состояния, чем исходное вещество. Например, а-комп-лексы (интермедиаты Уиланда) в реакциях электрофильного замещения в ароматических соединениях используют как модели переходных состояний, являющихся их непосредственными предшественниками (см. разд. 6.7.1.1).
В присутствии катализатора скорость реакции увеличивается, так как при этом становится возможным протекание реакции по альтернативному пути/требующему меньше энергии, часто через образование нового, более устойчивого (с более низкой энергией) промежуточного соединения (рис. 2.5).
Так, гидратация алкена при непосредственном действии воды
ОН
Хчс=с// + н2о —>- ^С— /	\	/ |Х
н
протекает обычно крайне медленно, но она может быть
51
ПС для мекаталазируемой реакции
Исходные веществ
Продукты
€ для скорость-лимитирующей стадии катализируемой реакции
значительно ускорена добавлением кислотного катализатора, который на первой стадии протонирует алкен до промежуточного карбокатиона. За этой стадией следует быстрая атака положительно заряженного карбокатиона молекулой воды, выступающей в качестве нуклеофила; гидратация завершается отщеплением прото
на, способного опять функционировать в качестве катализатора (см. разд. 7.4.2):
Рис. 2.5.
Механизм кислотно-основного катализа рассмотрен в разд. 3.3.
2.2.3.	Кинетический и термодинамический контроль
Если исходные вещества могут превращаться в два или большее число альтернативных продуктов, как, например, при электрофильной атаке ароматических соединений, уже содержащих какой-либо заместитель (см. разд. 6.7), соотношение между образующимися альтернативными продуктами часто определяется относительными скоростями их образования: чем быстрее образуется продукт, тем выше его содержание в смеси конечных продуктов. Поскольку в этом случае состав смеси продуктов определяется кинетическими параметрами, соответствующий контроль называют кинетическим. Однако этот тип контроля не всегда имеет место. Если одна или большее число альтернативных реакций обратимы или если образующиеся альтернативные продукты легко превращаются друг в друга непосредственно в условиях протекания реакции, то состав смеси конечных продуктов может определяться уже не относительными скоростями образования различных продуктов, а их относительными термодинамическими устойчивостями в реакционной системе; такой контроль носит название термодинамического, или равновесного. Так, показано, что нитрование толуола контролируется кинетически, тогда как алкилирование его по Фриделю — Крафтсу— термодинамически (см. разд. 6.8). Тип контроля, который проявляется в реакции, может зависеть в ряде случаев от условий проведения реакции; например, сульфирование нафталина
52
концентрированной H2SO4 при 80 °C контролируется в основном кинетически, в то время как при 160 °C — термодинамически (см. разд. 6.9).
2.3.	Исследование механизмов реакций
Детальную информацию о структурных, термодинамических и стереохимических особенностях протекания той или иной реакции получить чрезвычайно трудно; никакой механизм реакции точно доказать невозможно. Тем не менее можно собрать достаточное количество данных, чтобы показать, что один (или более) из теоретически возможных механизмов не согласуется с экспериментальными результатами и (или) что один из нескольких оставшихся альтернативных механизмов более вероятен, чем другие.
2.3.1 Идентификация продуктов реакции
Возможно, что наиболее полную информацию о механизме реакции получают при установлении структуры образующихся продуктов и при сравнении их структуры со структурой исходных веществ. Если, как это часто бывает в случае органических реакций, образуются несколько продуктов, необходимо определить соотношение этих продуктов и определить, какому контролю — кинетическому или термодинамическому — подчиняется реакция. В прошлом на это затрачивали значительный труд, выделяя продукты вручную, сейчас это достигается более легко и точно с помощью весьма совершенных хроматографических методов или косвенным путем с помощью спектроскопических методов.
Установление точной структуры продуктов реакции имеет очень важное значение, однако это не всегда удается сделать. Например, трифенилметильный радикал (3) желтого цвета (ср. разд. 11.1), полученный в 1900 г. при действии серебра на три-фенилметилхлорид, легко образует бесцветный димер (мол. масса 486), который, как полагали, является гексафенилэтаном (4) с тридцатью «ароматическими» атомами водорода. Лишь спустя почти семьдесят лет (в 1968 г.) получили ЯМР-спектр (ср. разд. 1.3.6) этого димера (только с двадцатью пятью «ароматическими», четырьмя диеновыми и одним «насыщенным» атомами водорода) и доказали, что данный димер не может иметь строение гексафенилэтана, а фактически имеет строение (5):
^Х± РЬаС—СРЬа
(5)	(3)
(4)
53
После установления правильной структуры многие частные детали поведения соединения (3) и его димера, которые ранее казались аномальными, сразу же стали понятны.
Сведения о строении продуктов реакции могут быть особенно ценными, если образуются совершенно неожиданные продукты. Например, показано, что реакция 4-метил-1-хлорбензола (п-хлортолуол) (6) с ионом ~NH2 в жидком аммиаке (см. разд. 6.10.3) приводит не только к ожидаемому 4-метилфенил-амину (п-толуидин) (7), но и к совершенно неожиданному 3-ме-тилфениламину (л-толуидин) (8), который фактически является основным продуктом:
С1
Me.
~nh2
NH3 (жидк.)
(6)	(7)	(8)
Очевидно, что л-толуидин не может быть получен из соединения (6) путем простого замещения и либо образуется по какому-то другому пути, чем тот, который ведет к продукту (7). либо, если оба продукта образуются через некоторый общий интермедиат, соединение (7) не может образоваться путем прямого замещения.
2.3.2.	Кинетические доказательства
Хотя наибольший объем информации о механизмах реакции получен (и продолжает поступать) в результате кинетических исследований, тем не менее интерпретация кинетических данных (ср. разд. 2.2.2) не всегда столь проста, как может показаться с первого взгляда. Так, эффективно реагирующие частицы, концентрация. которых действительно определяет скорость реакции, могут отличаться от тех частиц, которые вводят в реакционную смесь и изменения концентрации которых пытаются измерить. Например, при ароматическом нитровании эффективно атакующей частицей является +МОг (ср. разд. 6.2), хотя в реакционную смесь вводят HNO3 и определяют изменение ее концентрации. Зависимость между концентрациями +NO2 и HNO3 может быть достаточно сложной и, следовательно, сложной окажется зависимость скорости реакции от концентрации HNO3. Таким образом, даже в тех случаях, когда механизм реакции сравнительно несложен, его выяснение на основании анализа наблюдаемых величин может оказаться не простой задачей.
54
Так, было найдено, что гидролиз алкилгалогенидов RHal в водном растворе подчиняется кинетическому уравнению:
Скорость = k i[ RHal ],
Однако неверно делать вывод, что в скоростьлимитирующей стадии не участвуют молекулы воды на том основании, что концентрация воды не входит в уравнение скорости. Вода используется как растворитель, она присутствует в очень большом избытке, и ее концентрация практически остается неизменной, независимо от того, участвует она реально в скоростьлимитирующей стадии или нет. Этот вопрос может быть, по-видимому, решен при проведении гидролиза в другом растворителе, например в НСО2Н, и при использовании гораздо меньших концентраций воды. Тогда может оказаться, что гидролиз подчиняется кинетическому уравнению:
Скорость = fc2[RHal] [Н2О].
Однако действительный механизм гидролиза мог существенно измениться при замене растворителя, так что можно так и остаться в неведении относительно того, что же происходит на самом деле при гидролизе алкилгалогенидов в водном растворе.
Огромное большинство органических реакций протекает в растворах, и сравнительно небольшие изменения в используемом растворителе могут оказывать глубочайшие влияния на скорости реакций и их механизмы. Особенно ярко это проявляется в тех случаях, когда промежуточные соединения имеют полярную природу, например при образовании входящих в ионные пары карбокатионов или карбанионов, поскольку такие частицы обычно создают вокруг себя окружение из молекул растворителя. Это окружение сильно влияет на устойчивость частиц (и легкость их образования) и зависит от состава и природы используемого растворителя, особенно от его полярности и способности сольватировать ионы. Реакции, протекающие с образованием радикалов (см. разд. 11.1), гораздо меньше зависят от природы растворителя (за исключением растворителей, способных реагировать с радикалами), но сильно зависят от добавления источников радикалов (например, пероксидов), веществ, поглощающих радикалы (например, хинонов), или от воздействия света, который может инициировать реакцию образования радикалов вследствие фотохимической активации, например:
hv
Вг2 ----► Вг • • Вг
Если на основе кинетического исследования показано, что реакция может протекать необычно быстрее или медленнее по сравнению с аналогичными реакциями в подобных условиях, то
55
можно предположить наличие другого или модифицированного механизма, отличающегося от общего механизма реакций такого типа. Так, на основе последовательности, найденной для наблюдаемых скоростей гидролиза хлорзамещенных метанов сильными основаниями в сравнимых условиях
СНаС1 » СН2С12 < СНС13 » СС14, можно предположить, что гидролиз трихлорметана протекает по иному механизму, чем гидролиз других хлорметанов (ср. разд. 9.9).
2.3.3.	Изотопные эффекты
Во многих случаях важно узнать, разрывается ли данная связь или нет на скоростьлимитирующей стадии. Из простых кинетических данных нельзя получить такую информацию, и для решения этого вопроса необходимы дополнительные более совершенные подходы. Например, в случае разрыва связи С—Н ответ на этот вопрос может быть получен путем сравнения скоростей реакции исследуемого соединения (в одним и тех же условиях) и его точного аналога, в котором эта связь заменена связью С—D. Обе эти связи имеют одну и ту же химическую природу как связи, образованные изотопами одного и того же элемента, но их частоты колебаний, а следовательно, и их энергии диссоциации должны немного различаться, потому что массы атомов, образующих связь, различны: чем больше масса, тем прочнее связь. Это различие обусловливает, конечно, и различие в скоростях разрыва этих двух связей при сходных условиях: менее прочная связь С—Н должна расщепляться быстрее, чем более прочная связь С—D; согласно квантово-механическому расчету, максимальное различие скоростей йн/йо при 25 °C должно быть «7.
Например, найдено, что Ph2CHOH окисляется в 6,7 раз быстрее, чем Ph2CDOH, т. е. для этой реакции характерен первичный кинетический изотопный эффект, и разрыв связи С—Н должен, очевидно, происходить на скоростьлимитирующей стадии:
МпО", "он
Ph2CHOH --------> Ph2C=O
Однако в других случаях, например при нитровании бензола CgH6 (см. разд. 1.8) и гексадейтеробензола C6De, скорости реакций одинаковы; это означает, что разрыв связи С—Н должен произойти на такой стадии суммарного процесса, которая не является скоростьлимитирующей (ср. разд. 6.2).
Кроме пары водород — дейтерий первичные кинетические изотопные эффекты наблюдаются также и для других пар изотопов. Эти эффекты, однако, не столь выражены, поскольку различие относительных масс других пар изотопов не так ве
56
лико. В частности, получены следующие данные (при 25°C):
ЧМ)	(|4)	КИС!
,2сна1 + но~ —» 12СНаОН + Г Л =1,09 я ( с)
(37)	(37)	Х./35ГП
3SClCH2Ph + Н2О PhCH2OH + Н+ 35СГ	 = 1,0076
я(37С1)
Необходимо подчеркнуть, что первичные кинетические изотопные эффекты, получаемые экспериментально, имеют значения, промежуточные между максимальными расчетными и единицей (что соответствует отсутствию изотопного эффекта); данные об отсутствии изотопного эффекта также могут быть полезны, поскольку они дают важную информацию о расщеплении отдельных связей в переходном состоянии.
Изотопы могут быть использованы и для решения некоторых вопросов, относящихся к механизму реакции, но не связанных с кинетикой. Так, гидролиз сложных эфиров в водном растворе, приводящий к образованию кислоты и спирта, теоретически мог бы протекать путем разрыва связи алкил — кислород (а) или путем разрыва связи ацил — кислород (б):
О
О
О
б
RC—18ОН + Н—OR
II 1 I	«
RC4-O-HR' + Н18ОН ------
RC—ОН + HI8O—R
б а
Если реакция протекает в воде, обогащенной тяжелым изотопом кислорода 18О, это приведет в первом случае к спирту, обогащенному 18О, и кислоте, не содержащей этот изотоп, тогда как во втором случае получают кислоту, обогащенную |8О, и обычный спирт. Показано, что при гидролизе большинства эфиров образуется кислота, обогащенная 18О, т. е. в этих условиях гидролиз протекает через разрыв связи ацил — кислород (см. разд. 8.6.1). Следует иметь в виду, что эти результаты могут иметь значение только в том случае, если ни спирт, ни кислота, образующиеся при гидролизе, не могут обменивать свои атомы кислорода на атом кислорода воды, обогащенной 18О, как было показано в приведенном выше случае.	'
В подобных случаях для выяснения механизма реакции часто используют тяжелую воду D2O. Например, при изучении реакции Ка-нниццаро с участием бензальдегида (см. разд. 8.2.6)
О	О	О
II II -он II PhC—Н + PhC—Н -—* PhC—О' + PhCH2OH Н2О
(9)
возникает вопрос, является ли источником второго атома водорода, связанного с атомом углерода в молекуле образующегося
57
фенилметанола (бензиловый спирт) (9), растворитель (Н2О) или другая молекула бензальдегида. Оказалось, что если проводить реакцию в D2O, то PhCHDOH не образуется; это показывает, что источником второго атома водорода является не вода, а вторая молекула бензальдегида.
При изучении механизмов реакций используют также другие изотопные метки, например 3Н, 13С, 14С, 15N, 32Р, 35S, 37С1, 1311 и др. Основными трудностями при работе с изотопными метками являются: а) необходимость гарантии того, что метка включается только в требуемое положение (я) в исследуемом соединении; б) точное определение места вхождения метки в продукт(ы) после завершения исследуемой реакции.
Чрезвычайное увеличение селективности современных синтетических методов позволяет преодолеть первую трудность, но вторая долго оставалась главной, особенно при использовании изотопов углерода. Применение изотопов углерода имеет особое значение, потому что атом углерода присутствует во всех органических соединениях. В частности, изотоп 14С широко используют при исследовании механизмов биосинтеза — процессов, с помощью которых в живых организмах создаются чрезвычайно сложные молекулы.
Так, были все основания считать, что пентациклическое соединение стеригматоцистин (10), найденный в культурах некоторых грибов, строится постадийно из молекул этановой (уксусной) кислоты. Основное подтверждение этой гипотезы было получено при добавлении к подходящим культурам грибов иСНзСОгН или СНрСОгН соответственно (в раздельных опытах). По данным определения радиоактивности (14С — источник P-излучения) двух выделенных образцов стеригматоцистина С18Н12О6 было показано, что использование 14СН3СО2Н приводит к включению восьми атомов 14С, а использование СНз4СОгН —девяти атомов 14С. Остается, однако, открытым вопрос о том, где точно- в молекуле стеригматоцистина локализованы эти меченые атомы углерода:
14СН3СО2Н (а) или
СН‘4СО2Н (б)
(а) 814С-атомов
(б) 914С-атомов
Не так давно этот вопрос могли решать только с помощью чрезвычайно трудоемких и часто не дающих однозначных результатов опытов по селективному расщеплению, но с появлением спектроскопии ЯМР легко определяются все различия ме
58
жду изотопами. Изотопы 12С и 14С не дают сигнала ЯМР, но изотоп 13С, содержание которого в обычном углероде составляет ~ 1,11 %, дает сигнал ЯМР. С помощью соответствующих приборов стало возможным записать спектры ЯМР 13С любого углеродсодержащего соединения (потому что каждое из них сот держит 1,11 % 13С): каждый атом углерода или группа одинаково расположенных атомов углерода в данной молекуле дает четко различимый, отличающийся от других сигнал. Спектр ЯМР 13С обычного стеригматоцистина можно, таким образом, сравнить со спектрами молекул, полученных из раздельных опытов с использованием 13СН3СОгН или СНз3СОгН. Атомы углерода, которые (в каждом случае) дают усиленные сигналы 13С, могут быть тем самым идентифицированы:
Зная, какой из атомов углерода молекулы СН3СО2Н включается в определенные положения стеригматоцистина, можно сделать обоснованное предположение о механизме синтеза, реализуемом культурами грибов. Между прочим, проведенный анализ показывает также, что атом углерода группы *СН3О в молекуле стеригматоцистина образуется не из СН3СО2Н.
2.3.4.	Идентификация промежуточных соединений
Наиболее конкретные сведения о механизме реакции дает выделение из реакционной смеси одного или большего числа промежуточных соединений. Так, например, в реакции Гофмана, в ходе которой амиды превращаются в амины
Вг2. _он
RCONH2 ------► RNH2
в определенных условиях удается выделить ЛГ-бромамид RCONHBr, его анион RCONBr- и изоцианат RNCO, что помогает выяснить суммарный механизм реакции. Конечно, необходимо однозначно установить, что выделяемые частицы действительно являются промежуточными соединениями, а не просто альтернативными продуктами реакции; для этого надо показать,
59
что эти частицы могут быть превращены в обычных условиях данной реакции в обычные продукты реакции со скоростью, по крайней мере, такой же, как скорость суммарной реакции в этих же условиях. Важно также установить, что эти реально выделяемые частицы непосредственно участвуют в реакции, а не просто находятся в равновесии с истинными промежуточными соединениями.
Часто совсем не удается выделить какие-либо интермедиаты, но это вовсе не означает, что они не образуются: просто они могут быть слишком неустойчивыми и короткоживущими, чтобы можно было их выделить. К заключению об их существовании часто приходят на основе физических, особенно спектроскопических, данных, полученных при исследовании реакции. Например, при образовании оксимов ряда карбонильных соединений в результате реакции с гидроксиламином (см. разд. 8.3.1)
R4	R\	..
xC=O + NH2OH —►	C=N, + H2O
r/	r/	xoh
характеристическая полоса группы C=O в ИК-спектре. исходного соединения быстро исчезает и может пропасть полностью до того, как начинает появляться характеристическая полоса группы C=N продукта реакции. Очевидно, образуется промежуточное соединение; на основании результатов последующих исследований считают, что это соединение—гидроксиаминоспирт (Н), который быстро образуется, а затем довольно медленно распадается с образованием продуктов реакции — оксима и воды.
R4 ^ОН
(И) Rz ^NHOH
Если можно предположить участие в реакции определенной частицы в качестве лабильного интермедиата, то эти предположения можно подтвердить, вводя в реакционную смесь реакционноспособные частицы, способные легко реагировать с предполагаемым промежуточным соединением. В этом случае лабильный интермедиат можно «поймать в ловушку» и выделить стабильную частицу, в которую он включен. Например, предполагали, что при гидролизе трихлорметана сильными основаниями (ср. разд. 2.3.2) лабильным интермедиатом является сильно электронодефицитный дихлоркарбен СС12 (см. разд. 9.9); ди-хлоркарбен был «пойман» путем введения в реакционную смесь электронодонорного цис-бутена-2 (12), а образовавшееся стабильное производное циклопропанона (13) затем было выде
60
лено; для его образования вряд ли можно представить себе какой-либо другой путь, чем тот, который приведен ниже:
С1
СС12	I
(12)	(13)
Успешное исследование промежуточных соединений не только представляет несомненные свидетельства в пользу того или иного механизма реакции, но и может служить подтверждением предполагаемого строения соответствующих переходных состояний, для которых они часто оказываются хорошими моделями (ср. разд. 2.2.2) *.
2.3.5.	Стереохимические доказательства
Информация о стереохимических изменениях, сопровождающих какую-либо реакцию, также может быть полезна для понимания ее механизма и может стать решающим критерием для выбора предполагаемого механизма реакции. Например, катализируемое основанием бромирование оптически активного стереоизомера кетона (14) ведет к оптически неактивному рацемическому продукту (см. разд. 10.5.6). Это свидетельствует о том, что реакция должна проходить через образование плоского промежуточного соединения, которое может подвергаться атаке с равной вероятностью с обеих сторон с образованием равных количеств двух зеркальных форм продукта.
.	ВГ2. "ОН
PhCOCHMeEt --------► PhCOCBrMeEt
(14) (+)	(±)
Аналогично, образование только транс-дибромида (16) при бромировании циклопентена (15) бромом в полярной среде свидетельствует о том, что реакция не является простым одностадийным присоединением молекулы брома к двойной связи, поскольку это должно было бы привести к цис-дибромиду (17). Присоединение должно быть, по крайней мере, двухстадийным
* Согласно постулату Хэммонда, геометрия переходного состояния похожа на геометрию тех веществ, к которым оно ближе по свободной энергии. Этот постулат особенно полезен при изучении реакций, протекающих с образованием промежуточных соединении. — Прим. ред.
61
процессом (ср. разд. 7.1).
Вг
(15)	(16)
Вг Вг (17)
Такого рода реакции, которые протекают с образованием главным образбм (или полностью) одного стереоизомера из двух возможных, называют стереоселективными.
Как было показано, многие реакции элиминирования протекают намного легче с тем членом пары геометрических изомеров, в котором отщепляемые атомы или группы находятся в траке-положении по отношению друг к другу, чем с изомером, в котором эти группы находятся в цис-положении. Это можно видеть на примере различия в легкости реакций отщепления с участием ацетатов анти- и сик-альдоксимов, в ходе которых образуется один и тот же цианид *.
Ph^ /Н	ph	Ph^ /Н
С но" I	С
II ------► С -«-------- ||
. легко ц| труднее .
МеСОС)/	N	\эСОМе
анти	син
Очевидно, это различие накладывает ограничения при решении вопроса о механизме реакции, поскольку ее результат противоречит основному принципу «химической ловушки», согласно которому отщепление двух групп происходит наиболее легко в том случае, когда они расположены ближе всего друг к другу:
Pl\
/C=N4
О?	„ОСОЙej
Для того чтобы быть уверенным в том, что предполагаемый механизм описывает действительное течение данной реакции, недостаточно, чтобы он просто находился в соответствии с уже известными фактами; необходимо посмотреть, в какой мере этот механизм позволяет заранее предсказывать характер изменений скорости реакций или даже природы образующихся
* Речь идет о стереоэлектронных эффектах, подробно изученных на примере реакций элиминирования (см. разд. 9.4.1) и получивших надежное толкование в рамках орбитальных концепций (см. кн.: Deslongchamps Р. Stereo-electronic Effects in Organic Chemistry. Oxford: Pergamon Press, 1983. 375 p.). — Прим. ped.
62
продуктов при изменении условий протекания реакций или структуры исходных веществ. Таким образом можно выбрать механизм, который лучше других согласуется с имеющимися фактами. Обобщение результатов систематического исследования механизмов реакций вносит ясность в огромную массу разрозненной информации о равновесиях, скоростях реакций и относительной реакционной способности органических соединений. Далее мы рассмотрим ряд примеров, иллюстрирующих это общее положение.
Глава 3
СИЛА КИСЛОТ И ОСНОВАНИЙ
3.1. Кислоты.........................................................64
3.1.1. рКа -.................................................... 64
3.1.2. Кислотность органических соединений.......................65
3.1.3. Влияние растворителя .	 67
3.1.4. Незамещенные алифатические кислоты........................68
3.1.5. Замещенные алифатические кислоты..........................70
3.1.6. Фенолы..................................................  72
3.1.7. Ароматические карбеновые кислоты..........................73
3.1.8. Дикарбоновые кислоты......................................75
3.1.9. Зависимость рКа от температуры............................76
3.2. Основания .	.............................................77
3.2.1. рКа, рК(ВН+) и рКа........................................77
3.2.2. Алифатические основания...................................78
3.2.3. Ароматические основания...................................81
3.2.4. Гетероциклические основания...............................84
3.3. Кислотно-основной	катализ...................................... 86
3.3.1. Специфический и общий кислотный катализ...................86
3.3.2. Специфический и общий основный катализ....................88
Современные электронные теории органической химии оказались весьма полезными для многих корреляций свойств и структуры, в том числе и для объяснения относительной силы орга-4 нических кислот и оснований. Согласно определению Аррениуса, кислотами являются соединения, которые в растворе дают ионы водорода Н+, тогда как основания образуют гидроксид-ионы _ОН. Эти определения вполне приемлемы для реакций, идущих только в водных растворах, но поскольку кислотно-оснойные взаимодействия имеют чрезвычайно важное и практическое значение, то постепенно были сформулированы гораздо более общие концепции. Так, Бренстед определил кислоты как вещества, которые способны отдавать протоны, т. е. как доноры протонов,
63
а основания — как акцепторы протонов. Рассмотрим в качестве примера первую ступень ионизации серной кислоты в водном растворе:
h2so4 + н2о: =?=> н3о+ + hso;
кислота основание
сопря- сопряженное женная основание кислота
В этом случае вода действует как основание, принимая протон, и превращается в так называемую сопряженную кислоту Н3О+, тогда как H2SO4, отдавая протон, превращается в сопряженное основание HSOi-
Более обобщенная концепция кислот и оснований была предложена Льюисом, который определил кислоты как молекулы или ионы, способные к координации с неподелениыми парами электронов, а основания — как молекулы или ионы, которые имеют иеподеленные пары электронов, пригодные для такой координации (см. разд. 1.7). Кислоты Льюиса включают такие соединения, как трифторид бора (1), который реагирует с триметиламином с образованием твердой соли (т. пл. 128°C):
Ме3мГ> BF3^Me3N: BF3
(1)
Другие хорошо известные примеры кислот Льюиса — хлорид алюминия, хлорид олова(IV), хлорид цинка и т. д. Ниже мы остановимся на протонных кислотах, причем в первую очередь рассмотрим влияние структуры на силу органических кислот и оснований. Соединения, у которых ионизируется связь С—Н, будут рассмотрены позже (см. разд. 9.9).
3.1.	Кислоты
3.1.1.	рКа
Силу кислоты НА в воде, т. е. степень ее диссоциации, можно определить, рассматривая равновесие:
Н2О:+НА =<=> Н3О+ + А~
Константа такого равновесия выражается уравнением:
Аа = [Н3О+] Га"]/[НА]
Концентрация Н2О входит в это уравнение, так как вода присутствует в таком избытке, что ее концентрация заметно не изменяется. Необходимо иметь в виду, что Ка — константа кислотности данной кислоты в воде — только приблизительно выражается таким уравнением, поскольку в нем вместо активностей используются концентрации. Однако это допущение обосиован-
64
но, так как речь идет об очень разбавленном растворе. На константу кислотности влияют состав раствора, в котором находится кислота (см. ниже), а также другие факторы, но тем не менее она достаточно полно характеризует силу кислоты. Для удобства вместо Ка обычно используют величину рКа (рКа = = —1g Ка). Так, для этановой (уксусной) кислоты в воде при 25°C Ка = 1,79-10“5, а рКа = 4,76. Чем меньше численное значение рКа, тем сильнее соответствующая кислота.
Очень слабые кислоты, для которых рКа больше, чем ~ 16, в водной среде не проявляют себя как кислоты, поскольку концентрация Н3О+', которую они создают в воде, оказывается меньше, чем концентрация НзСН, создаваемая при автолизе самой воды:
Н2О + Н2О:	Н3О+ + 'ОН
Вследствие этого относительные кислотности (рКа) слабых ’ кислот совсем не могут быть определены в воде. Если кислоты достаточно сильны (довольно низкие рКа), они практически полностью ионизируются в воде и будут, по-видимому, иметь одинаковую силу, например НС1, HNO3, НСЮ4 и т. д. Это явление называют выравнивающим эффектом воды.
Область сравнительного определения рКа может быть расширена при использовании в качестве растворителя как более сильных, так и более слабых оснований, чем Н2О. Проводя соответствующие измерения в ряде растворителей с увеличивающейся основностью (и используя в качестве эталона кислоту, чья кислотность находится почти у нижнего предела значений кислотности в одном растворителе и у почти верхнего предела — в другом растворителе), можно определить силу кислоты вплоть до таких слабых кислот, как метан (рКа ~ 43).
3.1.2.	Кислотность органических соединений
Кислотность органического соединения НА зависит от прочности связи Н—А, от электроотрицательности А, от факторов, стабилизирующих А- по сравнению с НА, и от природы растворителя.
Первый из этих факторов обычно не является определяющим. Влияние электроотрицательности А отчетливо выражено, в частности, в том, что для метанола СН3ОН рКа ~ 16, а для метана рКа ~ 43, что обусловлено значительно большей электроотрицательностью кислорода по сравнению с углеродом. Для метановой (муравьиной) кислоты рКа = 3,77. Это отчасти обусловлено наличием электроноакцепторной карбонильной группы, усиливающей сродство к электрону того атома кислорода, к которому присоединен отщепляющийся протон; одиако гораздо важнее возможность стабилизации образующегося аниона
3 п. Сайкс
65
метаноата по сравнению с недиссопиированной молекулой метановой кислоты:
При этом наблюдается чрезвычайно эффективная делокализация заряда и, как следствие, —- стабилизация метаноат-анио-на, состоящего из двух одинаковых по энергии канонических структур. Делокализация возможна и в молекуле недиссоции-рованной метановой кислоты, однако она влечет за собой разделение заряда и, следовательно, гораздо менее эффективна. Это различие в стабилизации в определенной степени уменьшает тенденцию протона связываться с метаноат-анионом и смещает равновесие вправо так, что метановая кислота, по стандартам органической химии, является умеренно сильной кислотой.
В случае спиртов нет фактора, способствующего стабилизации алкоксид-аниона RO- по сравнению с молекулой самого спирта, поэтому спирты обладают значительно меньшей кислотностью, чем карбоновые кислоты. Однако у фенолов снова появляется возможность относительной стабилизации аниона (2) в результате делокализации его отрицательного заряда путем взаимодействия с л-орбиталями ароматического ядра:
Делокализация отрицательного заряда возможна и в недис-социированной молекуле фенола (см. разд. 1.5.2), однако, учитывая разделение заряда, она менее эффективна, чем в анионе (2), что ведет к некоторому снижению стремления аниона связываться с протоном. Действительно, фенолы являются более сильными кислотами, чем спирты (для самого фенола рКа = = 9,95), но значительно более слабыми, чем карбоновые кис
66
лоты. Это объясняется тем, что делокализация отрицательного заряда в карбоксилат-анионе осуществляется между одинаковыми по энергии структурами (см. выше), а два центра, участвующие в ней, являются сильно электроотрицательными атомами кислорода. В то же время в феноксид-анионе (2) структуры с отрицательным зарядом на атомах углерода ароматического кольца, вероятно, более богаты энергией, чем структура с отрицательным зарядом на атоме кислорода, и только один из центров, участвующих в делокализации, является сильно электроотрицательным атомом кислорода. Относительная стабилизация аниона по сравнению с недиссоциированной молекулой в случае фенола, вероятно, менее эффективна, чем в случае карбоновой кислоты, что и является причиной его меньшей относительной кислотности.
3.1.3.	Влияние растворителя
На кислотность того или иного соединения кроме уже рассмотренных особенностей структуры большое влияние часто оказывает растворитель, особенно в том случае, когда, как это обычно бывает, растворителем является вода.
Недостатком воды как ионизирующего растворителя для органических соединений является низкая растворимость в ней неионизированных форм этих соединений. За исключением этого ограничения, вода — уникальный эффективный ионизирующий растворитель, что связано прежде всего с ее высокой диэлектрической проницаемостью (е = 80), а также со способностью сольватировать ионы. Чем выше диэлектрическая проницаемость (полярность) растворителя, тем ниже электростатическая энергия любой пары ионов, находящихся в нем, и, следовательно, тем легче возникают такие пары ионов, тем выше их стабильность в растворе и тем меньше склонность к взаимодействию друг с другом.
Ионы в растворе вызывают сильную поляризацию находящихся вблизи них молекул растворителя; вокруг ионов образуется, таким образом, сольватная оболочка. Чем выше степень такой сольватации, тем более эффективна стабилизация ионов вследствие распределения или делокализации их заряда. Молекулы воды чрезвычайно легко поляризуются, они относительно невелики по размеру; вследствие этого вода может эффективно сольватировать и таким путем стабилизировать как катионы, так и анионы. Стабилизация особенно заметна для анионов, поскольку их сольватация может сопровождаться образованием водородных связей (см. ниже). Аналогичная сольватация с образованием водородных связей невозможна для катионов, однако протон Н+, отщепляющийся от молекулы кислоты, также может сольватироваться, образуя водородные связи
3*
67
с молекулами воды:
Н—Y + пН2О
/И
но н—он
+ Н-У’Н но—н Ан
ч=± н—б
Поскольку молекулы спиртов, например МеОН, не слишком громоздки, то их способность к сольватации сходна со способностью воды. Показано, например, что НС1 является сильной кислотой и в метаноле. Не следует, однако, забывать, что основное требование к растворителю состоит в том, чтобы он мог функционировать как основание; чем слабее его основные свойства, тем ниже степень диссоциации кислоты. Так, легко убедиться, что, например, в метилбензоле (толуол) НС1 существует практически полностью в недиссоциированной форме.
3.1.4.	Незамещенные алифатические кислоты
Как и следовало ожидать, замещение негидроксильного атома водорода в молекуле метановой (муравьиной) кислоты на алкильную группу приводит к образованию более слабой кислоты, поскольку электронодонорный индуктивный эффект алкильной группы должен понижать остаточное сродство к электрону атома кислорода, связанного с протонизируемым водородом, и, следовательно, уменьшать силу кислоты. В алкилзаме-щенном анионе повышенная электронная плотность на атоме кислорода способствует его рекомбинации с протоном по сравнению с системой метаноат-анион — метановая кислота:
/,0*1" Г	У°" ~
Ме->С<	Н—С?
X)J	L	^0
Таким образом, следует ожидать, что равновесие в этой системе будет более смещено в сторону неионизированной формы, чем в системе метановая кислота — метаноат-анион. Действительно, для этановой кислоты рКа = 4,76, а для метановой кислоты рКа = 3,77. Однако степень структурного изменения, проявляющегося в такой небольшой молекуле, как метановая кислота, при замене атома водорода на метильную группу настолько велика, что приведенное выше простое объяснение может и не отражать основные причины наблюдаемого различия. Вполне возможно, что различная способность к сольватации в случае этих двух кислот объясняется заметным различием форм их молекул, а также различным распределением заряда.
Следует напомнить, что константа кислотности Ка связана с изменением стандартной свободной энергии ионизации AGP
68
уравнением
AG° = 2.303ЯГ 1g К.
и что ДО0 включает как энтальпийный, так и энтропийный члены:
AG° = ДЯ° - Т bS°.
Для ионизации этановой кислоты в воде при 25 °C (Ка = = I,79-I0-5) ДС° = 27,2 кДж (6,5 ккал), Д/У° =—0,5 кДж (—0,13 ккал) и Д3° = —92 Дж/град (—22 кал/град) [т. е. 7Д5 = —27,6 кДж (—6,6 ккал)], тогда как для метановой кислоты (Ка = 17,6-10-5) ДС° = 21 кДж (5,1 ккал), Д№ = — —0,3 кДж (—0,07 ккал), Д5° = —74 Дж/град (—18 кал/град) [т. е. ТДЗ =—21,3 кДж (—5,17 ккал)]. Столь малые значения Д№ почти полностью обусловлены тем фактом, что энергия, необходимая для диссоциации связи О—Н в не-диссоциированных карбоновых кислотах, компенсируется энергией, выделяемой при сольватации образующихся ионов.
Таким образом, различие в значениях ДС° для метановой и этановой кислот, обусловливающее различие их Ка, является результатом различия их энтропийных (Д£°) членов. Поскольку в каждом равновесии участвуют по два типа частиц с одной и другой стороны, различия в энтропии перехода при диссоциации будут невелики. Однако по одну сторону равновесия обе частицы являются нейтральными молекулами, а по другую — ионами. Поэтому основной вклад в величину Д3° вносит, судя по всему, большая степень упорядоченности сольватных оболочек молекул воды, окружающих ионы RCOj и Н3О+, по сравнению со степенью упорядоченности этих молекул в самой воде. Увеличение упорядоченности, однако, совсем не так велико, как можно было бы ожидать, поскольку в самой воде упорядоченность уже достаточно велика. Таким образом, различие в силе метановой и этановой кислот в действительности надо связывать с различной сольватацией анионов этих кислот, как это и предполагалось выше.
Дальнейшее введение алкильных групп в этановую кислоту оказывает гораздо меньший эффект. Этот эффект является по существу эффектом второго порядка, и его влияние на силу кислоты не всегда можно предсказать, поскольку определенную роль могут играть стерические и другие факторы. Значения рКа для ряда гомологов этановой кислоты приведены ниже:
	Р*а	Р*а	
CH3CO2H	4,76	Ме3ССО2Н	5,05
МеСН2СО2Н	4,88	Ме(СН2)2СО2Н	4,82
Ме2СНСО2Н	4,86	Ме(СН2)3СО2Н	4,86
69
Если рядом с карбоксильной группой находится атом углерода, имеющий двойную связь, сила кислоты возрастает. Так, для пропеновой (акриловой) кислоты, СН2=СНСО2Н, рКа — = 4,25, тогда как для ее насыщенного аналога — пропановой кислоты — рКа = 4,88. Это связано с тем, что у ненасыщенного а-атома углерода, находящегося в $р2-гибридизованном состоянии, из-за относительно большего вклада s-орбиталей электроны оттянуты несколько ближе к ядру, чем у насыщенного атома углерода, находящегося в $р3-гибридизованном состоянии. Вследствие этого $р2-гибридизованные атомы углерода обладают меньшей способностью отдавать электроны, чем насыщенные $р3-гибридизоваиные атомы; именно поэтому пропеновая кислота, уступающая по силе метановой, все же несколько сильнее пропановой. Этот эффект еще больше выражен для sp'-гиб-ридизоваиного атома углерода тройной связи; так, значение рКа пропиновой (пропиоловой) кислоты CHsCCO2H равно 1,84. Аналогичная ситуация наблюдается и для атомов водорода в этене и этине; в этене атомы водорода имеют несколько более выраженные кислотные свойства, чем в этане, в то время как в этине атомы водорода являются настолько кислыми, что легко замещаются некоторыми металлами.
3.1.5.	Замещенные алифатические кислоты
Еще более заметное влияние оказывает введение в молекулы алифатических кислот электроиоакцепториых заместителей. Так, введение галогена, индуктивный эффект которого действует в направлении, противоположном индуктивному эффекту алкильной группы, должно увеличивать силу галогензамещеиной кислоты, что действительно и наблюдается, как это видно из приведенных ниже значений рКЛ ряда кислот:
	₽*а	Рха
СН3н>-СО2Н	4,76	С1
F<-CH2<-CO2H	2,57	
С1«-СН2«-СО2Н	2,86	С1«-СН<-СО2Н 1,25
Вг«-СН2«-СО2Н	2,90	С1 • t
1<-СН2<-СО2Н	3,16	С1ч-С«-СО2Н	0,65
4 С1
Относительное влияние различных галогенов соответствует ожидаемому: фтор является наиболее электроотрицательным (электроноакцепторным), и сила фторэтановой кислоты в 100 раз выше силы этановой кислоты. Индуктивный эффект атомов галогенов гораздо выше индуктивного эффекта, вызываемого (в противоположном направлении) введением алкильных групп, и дальнейшее введение атомов галогена в молекулу еще
70
более усиливает кислотность; так, трихлорэтановая кислота — уже очень сильная кислота.
Важно напомнить, что Ка (а следовательно, и р/Са) связана с AG° ионизации и что AG° включает как АД°, так и AS°. Было показано, что в ряду галогензамещенных этановых кислот АД° при переходе от одного соединения к другому изменяется незначительно. Наблюдаемое в этом ряду изменение AG° определяется главным образом различие в значениях Д5°, которое в свою очередь обусловлено влиянием атома галогена на делокализацию отрицательного заряда во всем анионе:
,0
F*-CH2*-C^
.О СНз^С: х'0_
В анионе галогензамещенной кислоты отрицательный заряд распределен более равномерно пр сравнению с незамещенным этаноат-анионом, заряд которого сконцентрирован в основном на группе СОг; это приводит к тому, что введение атома галогена облегчает возможность окружения иона молекулами воды, т. е. его сольватацию. Таким образом, ионизация галогензамещенных этановых кислот сопровождается меньшим снижением энтропии по сравнению с самой этановой кислотой. Этот эффект особенно сильно проявляется в случае CF3CO2H (рКа = 0,23), для которой AG° = 1,3 кДж (0,3 ккал), тогда как для СН3СО2Н AG° = = 27,2 кДж (6,5 ккал); в то же время значения ДД° для обеих кислот мало отличаются друг от друга.
Введение атома галогена в положение, более удаленное от карбоксильной группы, чем a-положение, оказывает гораздо меньшее влияние. Это объясняется тем, что индуктивный эффект быстро ослабевает при передаче вдоль насыщенной цепи, в результате чего отрицательный заряд становится все менее «размытым», оставаясь концентрированным в карбоксилат-ани-оне. В этом случае кислота все больше напоминает соответствующую незамещенную алифатическую кислоту, как это можно видеть из приведенных ниже значений рАа:
МеСН2СН2СО2Н 4,82 МеСНС1СН2СО2Н 4,06
С1СН2СН2СН2СО2Н 4,52 МеСН2СНС1СО2Н 2,84
Другие электроноакцепторные группы, например NR3, CN, NO2, SO2R, СО, CO2R, увеличивают силу простых алифатических кислот. Аналогичное влияние оказывают гидроксильные и метоксильные группы. Неподелеиные электроны атомов кислорода групп ОН и ОМе не способны проявлять мезомерный эффект в направлении, противоположном индуктивному эффекту, из-за наличия в молекуле насыщенного атома углерода.
71
Значения p/Ca соответствующих замещенных кислот приведены ниже:
O2N«-CH2«-CO2H	1,68	MeCO«-CH2«-CO2H	3,58
Me3N«-CH2<-CO2H	1,83	MeO«-CH2«-CO2H	3,53
NC<-CH2<-CO2H EtO2C^CH2<-CO2H	2,47 3,35	нд«-сн2<-со2н	3,83
3.1.6.	Фенолы
Аналогичные эффекты можно наблюдать и для замещенных фенолов: наличие электроноакцепторных групп в ароматическом кольце повышает нх кислотность. При введении ннтрогруппы индуктивный эффект, как и предполагали, уменьшается с увеличением расстояния при переходе от орто- к мета- и пара-ни-трофенолам. Если ннтрогруппа находится в орто- или пара-по-ложенин (но не в лета-положении), то проявляется электроноакцепторный мезомерный .эффект, дополнительно усиливающий ионизацию из-за стабилизации (через делокализацию отрицательного заряда) образующегося аниона. Можно, таким образом, ожидать, что о- и «-нитрофенолы будут обладать большей кислотностью, чем лета-производные, что фактически и наблюдается:
Дальнейшее введение групп NO2 заметно усиливает кислотность; например, показано, что 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота) — очень сильная кислота. Значения рЛа соответствующих фенолов приведены ниже:
С6Н5ОН 9,95
o-O2NC6H4OH 7,23
jk-O2NC6H4OH 8,35
n-O2NCeH4OH	7,14
2,4-(O2N)2C6H3OH	4,01
2,4,6-(O2N)3CeH2OH	1,02
И в этих случаях значения ДН° для о-, м- и «-нитрофенолов очень близки, а различия AG° для этих фенолов обусловлены различиями в значениях TAS°, т. е. различиями в характере сольватации феноксид-анионов вследствие различного распределения в них отрицательного заряда.
72
Введение электронодонорных алкильных групп в ароматическое кольцо мало влияет на кислотность фенолов:
Р*а
Р*а
С6Н5ОН 9,95 л-МеС6Н4ОН 10,08
о-МеС6Н4ОН 10,28 п-МеС6Н4ОН 10,19
Алкилзамещенные фенолы являются несколько более слабыми кислотами по сравнению с фенолом, однако влияние алкильных групп выражено слабо и проявляется нерегулярно. Это свидетельствует о том, что при введении такого рода заместителей дестабилизация феноксид-иона (вследствие взаимодействия его отрицательного заряда с делокализованными л-орбита-лями ароматического кольца) меньше, чем можно было бы ожидать.
3.1.7.	Ароматические карбоновые кислоты
Бензойная кислота (pAa = 4,20) является более сильной кислотой, чем ее насыщенный аналог — циклогексанкарбоновая кислота (рАа = 4,87). Это дает основание предположить, что фенильная группа, подобно двойной связи, является менее электронодонорной (по сравнению с насыщенной системой углеродных атомов) по отношению к карбоксильной группе из-за наличия $р2-гибридизованного атома углерода, присоединенного к карбоксильной группе (ср. разд. 3.1.5). Введение алкильных групп в ароматическое кольцо очень слабо влияет на силу образующейся кислоты (ср. с влиянием таких групп в фенолах, разд. 3.1.6):
Р*а
С6Н5СО2Н 4,20 л-МеС6Н4СО2Н 4,24 п-МеС6Н4СО2Н 4,34
Однако при введении электроноакцепторных групп, например группы NO2, кислотность увеличивается, причем этот эффект, как и в случае фенолов, наиболее сильно выражен при замещении в орто- и пара-положениях:
₽*а
СвН5СО2Н	4,20
o-O2NCeH4CO2H	2,17
л-О2ЫС6Н4СО2Н	3,45
n-O2NCeH4CO2H	3,43
3,5-(O2N)2CeH3CO2H 2,83
73
Особенно заметное влияние МО2-группы в орто-положении обусловлено, по-видимому, тем, что на очень коротком расстоянии индуктивный эффект действует сильнее всего, но нельзя исключать и прямое взаимодействие между соседними группами NO2 и СО2Н.
Наличие таких групп, как ОН, ОМе или галоген, обладающих электроноакцепторным индуктивным эффектом, но эл'ектро-нодонорным мезомерным эффектом в орто- или пара-положениях, может привести к тому, что n-замещенные кислоты окажутся слабее л-замещенных, а иногда и даже слабее исходной незамещенной кислоты, как, например, в случае п-гидроксибен-зойной кислоты [рХа незамещенной кислоты (X—Н) равно 4,20]:
рХа ХСвЩСОгН при X. равном
Н	С1	Вг
о-Изомер	4,20	2,94	2,85
л-Изомер	4,20	3,83	3,81
п-Изомер	4,20	3,99	4,00
ОМе	ОН
4,09	2,98
4,09	4,08
4,47	4,58
Следует отметить, что этот компенсирующий эффект становится более выраженным при переходе С1 ~ Вг->ОН, т. е. при возрастании способности атома, связанного с ароматическим кольцом, отделяться вместе со своей электронной парой.
Важно подчеркнуть, что здесь, как и в приведенных выше случаях, возможно, сказывается влияние различного распределения заряда в анионах на их сольватацию, т. е. на значение TAS0, связанное со степенью упорядоченности молекул растворителя в сольватной оболочке, что может стать причиной наблюдаемых различий в значениях рХа.
Поведение о-замещенных кислот, как отмечалось выше, часто аномально. Иногда они оказываются более сильными, чем можно было ожидать, исходя из предположения о прямом взаимодействии соседних групп. Так, внутримолекулярные водородные связи (ср. разд. 2.2) стабилизируют анион (4) о-гидрокси-бензойной (салициловой) кислоты (3) за счет делокализации его заряда, что нехарактерно ни для м- и n-изомеров, ни для
74
о-метоксибензойной кислоты.
Внутримолекулярные водородные связи могут, конечно, действовать в молекуле недиссоциированной кислоты так же, как и в ее анионе, но, вероятно, в последнем случае более эффективно, чем в первом (с соответствующей относительной стабилизацией), так как отрицательный заряд на атоме кислорода в анионе способствует образованию более сильной водородной связи. Этот эффект даже более выражен, когда водородные связи образуются с гидроксильными группами в обоих орто-положениях; так, для 2,6-дигидроксибеюзойной кислоты рЛа = 1,30.
3.1.8.	Дикарбоновые кислоты.
Поскольку карбоксильная группа сама проявляет электроноакцепторный индуктивный эффект, можно ожидать, что присутствие второй такой группы в кислоте будет повышать силу кислоты. Это и наблюдается в действительности:
	рка	РКа	
НСО2Н	3,77	НО2ССО2Н	1,23
СН3СО2Н	4,76	НО2ССН2СО2Н	2,83
сн3сн2со2н	4,88	НО2ССН2СН2СО2Н	4,19
С6Н5СО2Н	4,17	о-НО2СС6Н4СО2Н	2,98
		jh-HO2CCsH4CO2H	3,46
		п-НО2СС6Н4СО2Н	3,51
Данный эффект выражен весьма отчетливо, одиако он быстро уменьшается по мере того, как карбоксильные группы оказываются разделенными более чем одним насыщенным атомом углерода. цпс-Бутендиовая (малеиновая) кислота (5) (рЛа = = 1,92) гораздо сильнее, чем транс-бутендиовая (фумаровая кислота (6) (рЛа = 3,02); это объясняется стабилизацией ^«с-моиоаниона (малеат-иона) (7) путем образования внутримолекулярной водородной связи, что невозможно в случае
75
фумаровой кислоты (ср. с приведенной выше о-гидроксибензой-ной кислотой):
11 Нх^о
fll Н ц-с\ с=о 1*\ . о—н
(5)	(6)	(7)
В то же время вторая ступень диссоциации транс-бутендио-вой кислоты (рЛа — 4,38) протекает гораздо легче, чем в случае ^«с-кислоты (рДа — 6,23) вследствие большей трудности удаления протона из отрицательно заряженной циклической системы аниона (7), образующегося из малеиновой кислоты. Этандиовая (щавелевая), пропандиовая-1,3 (малоновая) и бутандиовая-1,4 (янтарная) кислоты уступают по второй ступени диссоциации метановой и пропановой кислотам соответственно. Это объясняется тем, что в случае дикарбоновых кислот второй протон приходится удалять из отрицательно заряженных частиц, содержащих электронодонорный заместитель, т. е. группу СОг, которая, как можно ожидать, дестабилизирует анион по сравнению с недиссоциированной кислотой в большей степени — эффект, который отсутствует при диссоциации незамещенной кислоты:
Z-0
О о С—*	С Н о ’>“'> С i
/,0 СН3->С/
Ч)
3.1.9.	Зависимость рДа от температуры
Как отмечалось выше (см. разд. 3.1.2), значение Да, а следовательно, и рДа для какой-либо кислоты не является отличительным свойством, присущим самой кислоте: оно зависит от используемого растворителя и от системы, составной частью которой является кислота. Значения рДа обычно приводят для водного раствора, если это специально не оговорено, поскольку большая часть данных получена для водных растворов, причем при температуре 25 °C. Температура должна быть точно установлена, поскольку константа равновесия изменяется в зависимости от температуры. Выше была рассмотрена относительная кислотность различных кислот и сделаны небезуспешные попытки установить ее зависимость от структуры кислоты. Однако сле
76
дует отметить, что в зависимости от температуры изменяются не только значения Ка кислот, но и относительная сила кислот. Так, этановая кислота—более слабая, чем а-этилбутановая кислота Е12СНСОгН при температуре < 30 °C, но более сильная при температуре > 30 °C. Такие обращения относительной кислотности в зависимости от изменения температуры довольно обычны, поэтому не стоит терять слишком много времени на корреляции между относительной кислотностью и структурой при 25 °C!
3.2.	Основания
3.2.1.	рКь, рК(ВН+) и рКа
Силу основания В: в воде можно оценить, рассматривая равновесие:
В : + НОН ^=fc ВН+ + 'ОН
Константа равновесия в воде Къ выражается уравнением:
Кь « [ВН+] ["ОН]/[В:].
Концентрация воды [Н2О] входит в Кь, поскольку вода является растворителем и ее концентрация заметно не изменяется; как уже говорилось ранее, концентрации можно использовать вместо более точных значений активностей при условии, что раствор достаточно разбавлен.
В настоящее время силу оснований также принято описывать в терминах Ка и рКа; тем самым устанавливается единая непрерывная шкала как для кислот, так и для оснований. Чтобы сделать это возможным, в качестве эталонной реакции для оснований используют равновесие
ВН+ + Н2О: 4=t В : + Н3О+,
для которого затем можно написать уравнение:
Ка«[В!][Н3О+]/[ВН+],
где Ка (и рКа) — мера кислотности сопряженной с основанием Вх кислоты ВН+. Эта мера легкости, с которой ВН+ будет отщеплять протон, является в то же время мерой затруднения, с которым основание Вх будет принимать протон; приходится принять, что чем сильнее ВН+ как кислота, тем слабее В: как основание. Таким образом, чем меньше численное значение рКа для ВН+, тем слабее В х как основание. Когда используют рК, чтобы указать силу основания В, соответствующие величины следует обозначать как рК(ВН+), но уже стало обычным, хотя это и некорректно, писать просто рКа.
77
Рассмотрим в качестве примера ион +NH4 (рЛа = 9,25): +NH4 + H2O: «=* NH3 + Н3О+
В этом случае ДО° = 52,7 кДж (12,6 ккал); Д№ — 51,9 кДж (12,4 ккал) и Д5° = —2,9 Дж/град (—0,7 кал/град) [т. е. TAS° =—0,8 кДж (—0,2 ккал)] при 25°C. Таким образом, положение приведенного выше равновесия эффективно определяется величиной ДД°, влиянием же величины Д5° можно пренебречь; этот результат заметно противоречит поведению многих кислот (см. разд. 3.1.4). Причина такого небольшого влияния Д59 состоит в том, что в этом случае в равновесии с каждой стороны участвуют по одной заряженной частице и по одному положительному иону, которые примерно одинаково влияют на степень упорядоченности окружающих их молекул воды, в результате чего энтропии их сольватации взаимно компенсируются.
3.2.2.	Алифатические основания
Поскольку повышение силы азотистых оснований связано с возрастанием их готовности принимать протоны и, следовательно, с доступностью неподеленной пары электронов на азоте, можно было бы ожидать увеличения основности в ряду NH3-> RNH2 R2NH R3N в результате возрастания индуктивного эффекта при увеличении числа алкильных групп, что делает атом азота все более отрицательным. Однако в действительно-
сти это не так. Значения	Ptfa	некоторых	аминов приведены
ниже: NH3 Me^NH2	9,25 10,64	Et->NH2	10,67
Me->NH«-Me	10,77	Et^-NH^Et	10,93
Me 4 Me-*N«-Me	9,80	Et 4 Et->N«-Et	10,88
Как и следовало ожидать, введение первой алкильной группы заметно увеличивает силу основания. Введение второй алкильной группы также увеличивает силу основания, но суммарный эффект от введения второй алкильной группы гораздо менее выражен, чем эффект от введения первой группы. Введение третьей алкильной группы приводит к третичному амину, ио фактически сила основания уменьшается. Это объясняется тем, что основность амина в воде определяется не только доступностью электронов иа атоме азота, но и тем, насколько катион, образовавшийся путем захвата протона, может подвергаться сольватации и таким образом стабилизироваться. Чем больше атомов водорода связано с атомом азота в катионе, тем больше возможностей для сильной сольватации в результате образова
78
ния водородных связей между атомами водорода и водой; стабилизация катионов уменьшается в ряду:
Н2О:-Н	Н2О:-Н	Н2О:-Н
1+	1+	1+
R—N—Н-:ОН2 >	R—N—R > R—N—R
I '	I	I
Н2О:-Н	Н2О:--Н	R
Таким образом, в ряду NH3-> RNH2-> R2NH-> R3N индуктивный эффект увеличивает основность, но последовательно снижающаяся стабилизация катиона в результате гидратации приводит к уменьшению основности. Суммарный эффект последовательного введения алкильных групп постепенно уменьшается, а при переходе от вторичного амина к третичному наблюдается фактическое обращение ряда основности. Если это объяснение верно, то подобного обращения не должно наблюдаться в тех случаях, когда основность измеряют в растворителе, в котором невозможно образование водородных связей. Действительно, в хлорбензоле был установлен следующий ряд основности бутил-аминов:
BuNH2 < Bu2NH < Bu3N
Значения рАа этих аминов в воде равны 10,61, 11,28 и 9,87 соответственно.
Известно, что при обработке четвертичных алкиламмониевых солей, например R4N+ 1~, влажным гидроксидом серебра AgOH получают растворы оснований, сравнимых по силе с минеральными щелочами. Это легко понять, поскольку образующееся при этом основание R4N+ -ОН должно быть полностью ионизированным: исключена возможность (имеющаяся у третичных и других аминов) перехода в неионизированную форму:
R3NH + “ОН —-+ R3N : + Н2О
Введение электроноакцепторных групп, например Cl, NO2, вблизи центра основности должно приводить к уменьшению основности вследствие электроноакцепторного индуктивного эффекта этих групп (ср. замещенные анилины, разд. 3.2.3). Так, амин (F3C<—)3N: практически обладает основными свойствами из-за наличия трех сильных электроноакцепторных СЕз-групп.
Изменение основности происходит при введении С=О, причем не только вследствие связывания атома азота, имеющего свободную пару электронов, с $р2-гибридизованным атомом углерода электроноакцепторной группы (ср. разд. 3.1.4), но и вследствие электроноакцепторного мезомерного эффекта:
О	О'
II ••	I +
R—C<-NH2 -м- R—С—-NH2
79
Известно, что амиды в воде являются очень слабыми основаниями [р/G этанамида (ацетамид) равно »0,5]. Если присутствуют две группы С=О, то соответствующие имиды, например бензолдикарбоксимид-1,2 (фталимид) (8) ие только "не имеют основных свойств, но часто обладают достаточно высокой кислотностью и образуют соли с щелочными металлами.
(8)
Влияние делокализации заряда на повышение основности амина можно видеть на примере гуанидина (9), который, за исключением гидроксидов алкиламмония, является одним из наиболее сильных органических азотистых оснований (рКа ~ 13,6). Как нейтральная молекула, так и катион (10), образующийся при ее протонировании, стабилизируются путем делокализации:
: NH2	+NH2	: NH2
I	- II ••	- I
HN=C—NH2 *—> HN—C—NH2 *—> HN—C=NH2 Нейтральная (9a)	(96)	(9в) молекула
: NH2	+NH2	: NH2	^h+
H2N=C—NH2 -<-► H2N—NH2 -<-► H2N— <^=NH2 Катион
(10a)	(106)	(10b)
В катионе положительный заряд распределен симметрично вследствие вклада в гибридную структуру трех полностью эквивалентных по энергии структур. В нейтральной молекуле (где две структуры включают разделение заряда) делокализация не так эффективна. Таким образом, катион стабилизирован сильнее, чем нейтральная молекула, протонирование в целом оказывается «энергетически выгодным», вследствие чего гуанидин является чрезвычайно сильным основанием. Аналогичная ситуация наблюдается и в случае (11):
R	R
I ••	- I ♦
HN=C—NH2 -<—► HN—C=NH2 Нейтральная (11a)	(116) молекула
+ I ••	•• I +
H2N=C—NH2	H2N— C=NH2	Катион
(12a)	(126)
80
Хотя нельзя ожидать, что стабилизация из-за делокализации в катионе (12) будет столь же эффективной, как и в катионе (10), однако этанамидин CH3C(=NH)NH2 (рКа — 12,4) является значительно более сильным основанием, чем этиламин МеС'НгМНг (рКа = 10,67).
3.2.3.	Ароматические основания
Картина, обратная только что описанной, характерна для анилина (13), который является очень слабым основанием (рКа = 4,62) по сравнению с аммиаком (рКа = 9,25) или цик-логексиламином (рКа = 10,68). В анилине атом азота также связан с зр2-гибридизованным атомом углерода, однако, что более важно, неподеленная пара электронов атома азота может взаимодействовать с делокализованными л-орбиталями ароматического кольца:
(13а)	(136)	(13в)	(13г)
В анилиний-катионе (14), образующемся при протонировании анилина любое такое взаимодействие, приводящее к стабилизации, оказывается запрещенным, поскольку электронная пара на атоме азота перестает быть свободной:
(14)
В результате молекула анилина более стабилизирована, чем анилиний-катион. Именно вследствие этого для анилина «энергетически невыгодно» присоединение протона. Эффект снижения основности, естественно, более выражен при замещении атомов водорода в NH2-rpynne анилина фенильными группами: дифениламин Ph2NH является крайне слабым основанием (рКа = = 0,8), а трифениламин Ph3N по обычным стандартам совсем не имеет основных свойств.
Введение алкильных, например метильных, групп в NH2-группу анилина приводит к небольшому увеличению рКа:
C6H5NH2 4,62
C6H5NHMe 4,84
C6H5NMe2 5,15
o-MeC6H4NH2 jK-MeC6H4NH2 n-MeC6H4NH2
4,38
4,67
5,10
81
В отличие от эффекта, наблюдаемого при введении алкиль-ных групп в алифатические амины (см. разд. 3.2.2), это увеличение основности постепенно нарастает. Предполагают, что стабилизация катиона посредством сольватации с образованием' водородных связей, которая была причиной необычного поведения алифатических аминов, в случае анилина имеет гораздо меньшее влияние на суммарный эффект. Основным фактором, определяющим основность алкилзамещенных анилинов, остается ме-зомерная стабилизация молекулы анилина (13), по сравнению с катионом (14), что подтверждается нерегулярным эффектом, оказываемым введением Me-групп в орто-, мета- и пара-положения анилина. Сходные нерегулярные эффекты были отмечены при введении Me-групп в орто-, мета- и лара-положения молекулы фенола (см. разд. 3.1.6).
Группа, обусловливающая более мощный (электроноакцепторный) индуктивный эффект, например NO2, оказывает гораздо более сильное влияние. Электроноакцепторность усиливается, если нитрогруппа находится в орто- или пара-положении, так как при этом взаимодействие неподеленной пары электронов аминного азота с делокализованной системой л-орбиталей ароматического кольца усиливается. В этом случае нейтральная молекула стабилизируется еще больше, чем катион, что ведет к дальнейшему ослаблению основности. Значения рКа нитроанилинов приведены ниже:
PhNH2	+4,62 jh-O2NC6H4NH2 +2,45
o-O2NC6H4NH2 —0,28 n-O2NC6H4NH2 +0,98
Дополнительный эффект, снижающий основность при введении заместителя в орто-положение, частично обусловлен малым расстоянием, на котором действует индуктивный эффект, а также прямым взаимодействием, как пространственным, так и путем образования водородных связей с МН2-группой (ср. случай о-замещенных бензойных кислот, разд. 3.1.7). о-Нитроанилин оказывается настолько слабым основанием, что его соли в значительной степени гидролизованы в водном растворе; 2,4-дини-троанилин нерастворим в водных кислотах, а 2,4,6-тринитроани-лин по свойствам напоминает амид. Его называют пикрамидом, и он легко гидролизуется до пикриновой кислоты (2,4,6-трини-трофенол).
82
Такие заместители, как ОН и ОМе, имеющие неподеленные пары электронов, могут проявлять электронодонорный, т. е. усиливающий основность, мезомерный эффект, если они находятся в орто- или пара-положении (но не в мета-положении):
Это приводит к тому, что n-замещенный анилин оказывается более сильным основанием, чем соответствующее м-замещен-ное. м-Замещенный анилин является более слабым основанием, чем сам анилин, вследствие электроноакцепторного индуктивного эффекта, проявляемого атомом кислорода заместителя. Довольно часто влияние о-заместителя оказывается несколько аномальным из-за прямого взаимодействия с МН2-группой с участием как пространственных, так и полярных эффектов. Замещенные анилины имеют следующие значения рКа:
PhNH2	4,62		
o-HOC6H4NH2	4,72	o-MeOC6H4NH2	4,49
jh-HOC6H4NH2	4,17	jK-MeOC6H4NH2	4,20
n-HOC6H4NH2	5,20	n-MeOC6H4NH2	5,29
Интересно сопоставить основности 2,4,6-тринитро-.У,ЛЛдиме-тиланилина (15) и 2,4,6-тринитроанилина (16): основность первого почти в 40 000 раз (АрКа = 4,6) выше, чем второго (в отличие от МАЛдиметиланилина и анилина, основности которых близки). Это объясняется тем, что объем ЫМе2-группы достаточно велик и она может пространственно взаимодействовать с очень большими МО2-группами в обоих орто-положениях. Вращение вокруг связи атома углерода кольца с атомом азота группы NMe2 снижает стерические взаимодействия между атомами кислорода нитрогруппы и метильными группами фрагмента NMe2, однако при этом р-орбитали атомов азота становятся уже не параллельны р-орбиталям атомов углерода кольца. В результате этого мезомерный сдвиг неподеленной пары электронов от NMe2 к атомам кислорода NO2-rpynn с участием р-орбиталей атомов углерода кольца оказывается невозможным (см. разд. 3.2.3) и ожидаемого снижения основности (из-за мезомер-иого оттягивания электронов) не происходит (см. разд. 1.6)(. Тем самым снижающее основность влияние трех нитрогрупп
83
ограничивается по существу их индуктивными эффектами:
Напротив, в 2,4,6-трииитроанилине (16) NH2-rpynna сравнительно невелика по объему, что исключает вышеупомянутые пространственные ограничения: водородные связи между атомами кислорода o-NOz-rpynn и атомами водорода МН2-группы удерживают эти группы в требуемой плоской конформации. р-Орбитали могут принять параллельную ориентацию; тем самым становится возможным резкое снижение основности NH2-группы в результате очень сильного электроноакцепторного ме-зомерного эффекта трех NO2-rpynn:
(16а)	(166)
3.2.4.	Гетероциклические основания
Пиридин (17) является ароматическим соединением (см. разд. 1.3.6), в котором атом азота находится в $р2-гибридизо-ванном состоянии и вносит один электрон в систему из 6 л-элек-тронов (4n-|-.2; n= 1); при этом остается свободной пара электронов на атоме азота (расположенная на $р2-гибридной орбитали), вследствие чего пиридин и является основанием (рКа = ==5,21). Его основность, однако, гораздо ниже основности алифатических аминов (например, для Et3N: рКа = 10,75). Такая низкая основность характерна для оснований, в которых атом азота соединен кратными связями. Это объясняется тем, что по мере возрастания кратности связей у атома азота его неподе-ленная пара электронов располагается на орбитали, все больше приближающейся по характеру к s-орбитали. Такая электрон-
84
Ная пара смещается ближе к ядру атома азота, удерживается им более прочно, становится поэтому меиее доступной для образования связи с протоном, что и приводит к снижению основности соединения (см. разд. 3.1.4). Так, в соединениях, содержащих связи —Ns, /N:	u=N:, например R3N:, C5H5N s,
RfeN s, неподеленные пары электронов занимают sp3-, sp2- и sp’-орбитали соответственно. Снижение основности иллюстрируется приведенными выше значениями рКа (для пиридина и триэтилалкина), а также очень низкой основностью алкилциа-нидов (для MeCN рКа = —4,3).
(17)	(18)	(19)
Однако в случае хинуклидина (18) неподеленная пара электронов также занимает $р3-орбиталь, а его рКа (10,95) очень мало отличается от рКа триэтиламина (10,75).
Пиррол (19), как известно, в некоторой степени обладает ароматичностью (хотя она выражена и не так сильно, как в случае бензола или пиридина) и не проявляет свойств сопряженного диена, как можно было бы ожидать при отсутствии ароматичности. Для достижения ароматичности 6 л-электронов (4/1 + 2; /1=1) атомов кольца должны заполнить три связывающие молекулярные орбитали (ср. разд. 1.3.6). Это делает необходимым вклад двух электронов атомов азота в общую 6 л-электронную систему. Образующееся электронное облако несколько деформировано в сторону атома азота из-за более высокой электроотрицательности этого атома по сравнению с атомами углерода, тем не менее электронная пара азота уже не настолько доступна, и атом азота не способен принимать протон:
(19а)	(20)
В самом деле, протонирование пиррола в соответствующих условиях идет не по атому азота, а по а-углеродиому атому [см. формулу (20)]. Это объясняется включением свободной пары электронов атома азота в ароматическую систему 6 л-электронов, вследствие чего атом азота становится частично положительно заряженным. Он ие склонен присоединять протоны,
85
поэтому они и захватываются соседним а-углеродным атомом. Это напоминает уже рассмотренный случай с анилином (см. разд. 3.2.3) в том отношении, что катион (20) дестабилизирован по сравнению с нейтральной молекулой (19а)..В случае пиррола эта дестабилизация, однако, выражена гораздо сильнее; чтобы функционировать в качестве основания, пиррол должен полностью утратить ароматический характер, а следовательно, и стабилизацию; сравнение значений рХа пиррола (—0,27) и анилина (4,62) показывает, что пиррол является очень слабым основанием. Он может фактически функционировать как кислота, хотя и очень слабая, так как атом водорода группы NH может быть удален сильным основанием, например иоцом ~NH2; образующийся при этом анион (21), таким образом, сохраняет ароматический характер пиррола, в отличие от катиона (20) :
-nh2
(19а)	Q
№	:NH
(21)	(22)
Приведенные выше рассуждения не имеют, конечно, никакого отношения к полностью восстановленному пирролу — пирролидину (22), значение рХа для которого (11,27) очень близко к рКа для диэтиламина (11,04).
3.3.	Кислотно-основной катализ
О катализе в гомогенном растворе уже упоминалось (см. разд. 2.2.2) как о процессе, делающем возможным альтернативный ход реакции с более низкой энергией активации, часто вследствие образования нового и более стабильного (с меньшим содержанием энергии) интермедиата. Несомненно, наиболее обычными и важными катализаторами в органической химии являются кислоты и основания.
3.3.1.	Специфический и общий кислотный катализ
Простейшим случаем кислотного катализа является такой, когда скорость реакции пропорциональна концентрации ионов Н+ (например, Н3О+ в водной среде); при уменьшении pH скорость реакции увеличивается. Характерный пример — гидролиз простых ацеталей (см. разд. 8.2.2), например MeCH(OEt)2, скорость которого можно выразить уравнением:
Скорость = fe[H3O+] [MeCH(OEt)2].
Это случай специфического кислотного катализа, так как НзО4-—единственная кислотная частица, которая катализирует реакцию. Показано, что скорость реакции не зависит от добавления других возможных доноров протона (кислот), таких как
86
+NH4, при условии, что [НэО4-], т. е. pH, не изменяется при их добавлении. Полагают, что механизм гидролиза ацеталей можно представить схемой *, в которой быстрое необратимое протонирование субстрата предшествует медленной, скоростьлимитирующей стадии реакции:
OEt	Со
Et /	быстро / медленно; - EtOH
МеСН + Н30+ ч— * МеСН ----------------------------------
Х+ (скоростьлимитирующая
OEt	X-OEt	стадия)
Н --->. MeCH=OEt -------> MeCH = O + EtOH быстро
Известны также реакции, катализируемые не только Н3О+, но и другими кислотами, находящимися в реакционной системе. Примером такой реакции служит гидролиз ортоэфиров типа MeC(OEt)3 в присутствии кислоты НА:
Скорость = *НзО+[Н30+] [MeC(OEt)3] + 6НА [НА] [MeC(OEt)3],
Это пример так называемого общего кислотного катализа: катализ осуществляется донорами протонов вообще, а не только Н3О+. Общий кислотный катализ часто проявляется при более высоких pH. например при pH 7, когда [Н3О+] аг 10~7, в то время как [НА] может быть равна 1—2 моль/л. Общий кислотный катализ возможен и при более низких pH, однако в этом случае он может быть менее заметен из-за большого вклада Н3О+. Считают, что гидролиз ортоэфиров протекает по схеме (показана только НА, однако частицы Н3О+ ведут себя аналогично):
МеС—OEt
\х. Г*
О* Н—А
I
Et
медленно ------------->•
(скорость -лимитирующая стадия)
OEt
МеС^+
X. быстро OEt
+ EtOH + А-
Н2О
---МеС^
OEt
+ EtOH
Для общего кислотного катализа характерно, что протонирование субстрата протекает медленно (скоростьлимитирующая стадия), а превращение промежуточного соединения в продукты реакции идет быстро.
* Стрелку здесь и далее используют для того, чтобы показать суммарное превращение, которое протекает через несколько стадий.
87
3.3.2.	Специфический и общий основный катализ
Как при кислотном катализе, в случае специфического Основного катализа скорость реакции пропорциональна pH; в данном случае она возрастает по мере увеличения pH, т. е. она пропорциональна концентрации ионов “ОН. Так, показано, что реакция, обратная альдольной конденсации (ср. разд. 8.4.4), подчиняется кинетическому уравнению:
Скорость = Л[ "ОН] [Ме2С(ОН)СН2СОМе],
которое позволяет выразить ход реакции следующим образом:
Ме2С С
СН2 Me
"ОН	р?
: - L Ме2С С быстро \ Z \
СН2 Me
медленно
—-------------►
(скорость-лимитирующая стадия)
О
-->• Ме2С=О +
Н2С Me
По аналогии со схемой кислотного катализа, специфический основный катализ характерен для реакций, в которых стадия быстрого, обратимого удаления протона из субстрата предшествует медленной, скоростьлимитирующей стадии.
В случае общего основного катализа в реакции могут участвовать не только “ОН, но и другие основания. Например, при катализируемом основаниями бромировании ацетона (см. разд. 10.5.6) в ацетатном буферном растворе показано, что
Скорость = ^-он1~ОН] [МеСОМе] + ^меСоДМеСО'] [МеСОМе].
Предполагают, что реакция протекает по схеме:
Вг2;
•медленно -- ---------
(скорость—
лимитирующая
Вг + Вг~ I
стадия)
Вг—Вг
* х	быстро
СН2—С—Me
В: = "ОН, МеСО ~
88
И опять же, по аналогии с кислотами, общий основный катализ характерен для реакций, в которых удаление протона из субстрата — медленная, скоростьлимитирующая стадия, за которой следует быстрое превращение промежуточного соединения в продукты.
Глава 4
НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ У НАСЫЩЕННОГО АТОМА УГЛЕРОДА
4.1.	Кинетика и механизм реакции...................................90
4.2.	Влияние растворителя..........................................93
4.3.	Влияние структуры реагирующих соединений......................94
4.4.	Стереохимические аспекты механизма реакций...................101
4.4.1.	Механизм Sn2: обращение конфигурации .	 ..............101
4.4.2.	Определение относительной конфигурации	. ..............102
4.4.3.	Механизм SnI: рацемизация?.............................104
4.4.4.	Конкуренция механизмов	 105
4.4.5.	Механизм SNi: сохранение конфигурации..................106
4.4.6.	Участие соседних групп: «сохранение» конфигурации .... 108
4.5.	Влияние вступающих н уходящих групп..........................110
4.5.1.	Вступающая группа......................................110
4.5.2.	Уходящая группа........................................113
4.6.	Другие реакции нуклеофильного замещения......................115
Нуклеофильное замещение у насыщенного атома углерода изучено более детально, чем реакции какого-либо другого типа, в основном благодаря фундаментальным работам Ингольда и его школы. Классическим примером реакции замещения является превращение алкнлгалогенида в спирт'под действием водного раствора щелочи:
HO’ + R—Hal —► НО—R + НаГ
Кинетические исследования реакций, в которых алкилгало-гениды атакуются различными нуклеофилами Nu:, показали, что имеются два типа таких реакций. Один из них следует кинетическому уравнению (4.1), а второй — кинетическому уравнению (4.2), в котором отсутствует член [Nu:], т. е. в этом случае скорость реакции не зависит от концентрации нуклеофила:
Скорость = k%[RHal] [Nu :]	(4.1)
Скорость = &i[RHal]	(4.2)
89
Найдено, что в некоторых случаях уравнение скорости относится к «смешанному» или осложненному механизму, но известны примеры, которые точно подчиняются приведенным выше простым уравнениям.
4.1.	Кинетика и механизм реакции
Гидролиз первичного алкилгалогенида, например метилбро-мида (бромметан), в водном растворе щелочи, как было показано, протекает согласно уравнению (4.1), т. е. в стадии, лимитирующей скорость реакции (т. е. самой медленной), участвуют как алкилгалогенид, так и гидроксид-ион. Ингольд предположил существование переходного состояния, в котором частичное образование связи между атакующим гидроксид-ионом и реагирующим атомом углерода происходит до полного отщепления уходящего бромид-иона; при этом часть энергии, необходимой для разрыва связи С—Вг, возмещается за счет энергии, выделяющейся при образовании связи НО—С. С помощью квантовомеханического расчета показано, что наименьшая затрата энергии требуется в том случае, когда приближение гидроксидиона происходит вдоль линии, соединяющей центры атомов углерода и брома. Это можно представить следующей схемой:
и н°-с<,//Н н
НО“ +
Н
}с—Вг
Н“/ Н
Н
6-	I 6-
НО с —-ВГ
У Н Н
+ Вг-
(П	(2)
переходное состояние
В переходном состоянии отрицательный заряд распределяется, перемещаясь от гидроксид-иона к атому брома, а атомы водорода, соединенные с атакуемым атомом углерода, находятся в одной плоскости (под прямым углом к плоскости чертежа). $р3-Гибридизованный атом углерода становится в переходном состоянии $р2-гибридизованным, а НО и Вг оказываются связанными с двумя долями негибридизованной р-орбитали. Механизм такого типа Ингольд обозначил как Sn2 (Substitution Nucleophilic bimolecular — бимолекулярное нуклеофильное замещение).
Напротив, гидролиз третичного галогенида 2-метил-2-хлор-пропана (трет-бутилхлорид) (3) в щелочной среде, как было показано, описывается уравнением (4.2), и поскольку скорость не зависит от [~ОН], то гидроксид-ион не участвует в лимитирующей стадии реакции. Был сделан вывод, что скоростьлимитирующей стадией является медленная ионизация алкилгалогенида (на самом деле происходит завершение поляризации связи
90
R—>-На1, которая, как уже было показано, происходит в такого рода молекулах), что приводит к образованию ионной пары R+ С1~ (4); затем наступает быстрая стадия — атака ионом -ОН или, если возможно, растворителем, причем последний случай часто предпочтительнее из-за очень высокой концентрации растворителя:
Me
\ медленно
,..С—С1 -------->
1е' /
Me
(3)
Me
Me Me СГ (4)
Me
°- >но-с(
быстро p'Me
Me
Me н2о \
быстро
Me
х Me
-Ht \
+-ОН
мХ/
Me
С
Механизм реакции такого типа был обозначен SnI (Subslitu-tion Nucleophilic unimolecular — мономолекулярное нуклеофильное замещение). Энергия, необходимая для ионизации, компенсируется в основном за счет энергии, выделяемой при сольватации образующейся ионной пары. Значения энтропии активации AS* отражают предпочтительность такого процесса диссоциации (ср. разд. 2.2.2); например, AS* для гидролиза Ме3СС1 равна +51 Дж/(моль-К), тогда как для гидролиза СН3С1 она составляет —17 Дж/(моль-К). Катион ионной пары (4), в котором центральный атом углерода несет положительный заряд, является, конечно, промежуточным карбокатионом, и в ходе его образования первоначально $р3-гибридизованный атом углерода переходит в более стабильное плоское $р2-состояние, в котором три метильнце группы максимально удалены друг от друга. Атака ионом “ОН или молекулой растворителя (например, Н2О:) может происходить с обеих сторон этого плоского интермедиата. Если возникновение такого плоского интермедиата тормозится стерическими или какими-либо другими факторами (см. разд. 4.3), промежуточный карбокатион будет образовываться с трудом, если вообще сможет образоваться; в этом случае ионизация, а следовательно, и протекание реакции по механизму SnI не будут происходить.
Таким образом, наиболее характерное различие между реакциями, протекающими по механизмам Sn2 и SnI, состоит в том, что реакции типа Sn2 протекают только в одну стадию, через переходное состояние, в то время как реакции, протекающие по механизму SN1, — в две стадии, через реальное промежуточное соединение (карбокатион).
Некоторая путаница встречается как в учебниках, так и в другой литературе в отношении использования терминов
91
порядок и молекулярность в приложении к реакциям. Порядок— это экспериментально определяемая величина; общий порядок реакции равен сумме степеней членов (концентраций), входящих в кинетическое уравнение:
Скорость = £3[А] [В] [С] (третий общий порядок),
Скорость ==/г3[А]2[В] (третий общий порядок), Скорость = £2[А]2 (второй общий порядок).
В общем, однако, порядок относительно какого-либо реагента (или реагентов) более интересен и важен, чем общий порядок реакции; например, приведенные выше реакции имеют по отношению к А первый порядок. Известны также реакции нулевого и дробного порядков по отношению- к какому-либо реагирующему веществу.
Молекулярность относится к числу частиц (молекул, ионов и т. д.), которые участвуют в стадии расщепления и (или) об-, разования связей в одной и той же стадии реакции, обычно в скоростьлимитирующей стадии. Важно понять, что молекулярность нельзя определить экспериментально; она важна только в связи с определенным механизмом, выбранным для данной реакции, и при появлении дополнительных экспериментальных данных может быть пересмотрена, что ие должно иметь места с порядком реакции. Молекулярность реакции в целом важна только тогда, когда реакция протекает в одну стадию (элементарная реакция), как это предполагают, например, в случае гидролиза метилбромида (см. разд. 4.1). Порядок и молекулярность в этой реакции совпадают: реакция имеет второй общий порядок (первый порядок по отношению к каждому реагирующему веществу) и является бимолекулярной. Однако порядок и молекулярность не всегда или необязательно имеют одно и то же значение.
Однако простых кинетических измерений может быть недостаточно, чтобы установить, по какому нз двух механизмов, SnI или Sn2, действительно протекает, например, гидролиз галогенида. В частности, как было показано (см. разд. 2.3.2), если растворитель, например НгО, может действовать как нуклеофил (сольволиз), можно ожидать реакцию типа Sn2:
Скорость = A2[RHal] [Н2О],
но если концентрация воды остается фактически постоянной, реально наблюдаемое кинетическое уравнение будет иметь внд;
Скорость = /гнабл [RHalJ.
На основании простых кинетических измерений в водном растворе можно, таким образом, ошибочно предположить, что реакция протекает по механизму SnI.
92
Различие в кинетике между механизмами SN1 и SN2 часто может быть установлено при изучении влияния добавления конкурирующего нуклеофила, например азид-аниона Njj, на общую скорость реакции. Общая концентрация нуклеофила при этом увеличивается, и поэтому при механизме SN2, где концентрация нуклеофила входит в уравнение скорости, это приведет к повышению скорости реакции. Наоборот, при механизме SN1 величина [Nu s] не входит в уравнение скорости реакции, т. е. нуклеофил не участвует в скоростьлимитирующей стадии реакции, хотя, естественно, будет влиять на состав продуктов реакции.
4.2.	Влияние растворителя
Растворитель, в котором протекает реакция, часто оказывает значительное влияние на ее скорость; замена растворителя может даже привести к изменению механизма реакции. Так, например, если гидролиз галогенида протекает по механизму SN1, то увеличение полярности растворителя (т. е. увеличение диэлектрической постоянной е) и (или) его сольватирующей способности приводит, как было показано, к очень заметному увеличению скорости реакции. Так, скорость сольволиза третичного галогенида Ме3СВг в 50 %-м водном этаноле в 3-104 раз больше, чем в чистом этаноле. Это происходит потому, что в случае механизма SnI в переходном состоянии образуется и концентрируется заряд, который отсутствует в исходном соединении:
б+ в-
R— Hal —► [R—На1]+ —► R+ НаГ
Энергия, необходимая для такого процесса, снижается при увеличении е; процесс облегчается также при повышении сольватации (и, следовательно, стабилизации) образующейся ионной пары по сравнению с исходным соединением, содержащим лишь ковалентные связи. То, что такие эффекты, в частности сольватация, имеют первостепенное значение, подтверждается тем фактом, что реакции типа SnI крайне редко идут в газовой фазе.
Для механизма Sn2, однако, увеличение полярности растворителя, как показано, имеет гораздо меньшее значение и приводит лишь к незначительному уменьшению скорости реакции. Это объясняется тем, что в данном случае не образуется новый заряд, а заряд, имеющийся в исходных реагентах, в переходном состоянии делокализован:
в- в-
Nu'+R—Hal —► [Nu - R - HalJ* —► Nu—R + Hal
В этом случае сольватация переходного состояния, вероятно, будет несколько менее эффективной, чем сольватация исходного нуклеофила, что приводит к некоторому уменьшению скорости.
93
Эти различия в скоростях реакции при изменении растворителя могут быть использованы для распознавания механизмов SN1 и Sn2.
Значительное влияние на скорость реакций Sn2 оказывает замена полярных гидроксилсодержащих растворителей на полярные, не содержащие гидроксильных групп растворители. Так, скорость реакции первичного галогенида Mel при добавлении N3' при О °C увеличивается в 4,5-104 раз при замене метанола (е=33) на А,А-диметилметанамид (диметилформамид, ДМФА) HCONMe2, имеющий практически такую же полярность (е = = 37). Такое большое различие в скорости возникает вследствие того, что атакующий нуклеофил N3 при проведении реакции в метаноле сильно сольватирован вследствие образования водородных связей (ср. разд. 3.1.3), в то время как в ДМФА он гораздо менее сильно сольватирован и не образует водородные связи. Несольватированный анион N3 (в ДМФА) является гораздо более сильным нуклеофилом, чем в окружении снижающей нуклеофильность сольватной оболочки (в МеОН), вследствие чего в первом случае скорость реакции возрастает. Увеличение скорости до 109 раз наблюдали при замене, например, МеОН в реакции SN2 на другой полярный апротонный растворитель— диметилсульфоксид (ДМСО) Me2SO (е = 46).
Таким образом, при замене растворителя происходит фактическое изменение механизма реакции. Увеличение полярности растворителя и способности сольватировать ионы может (ио необязательно), в частности, изменить тип реакции Sn2 на SnI. Замена гидроксилсодержащего растворителя на полярный, но апротонный растворитель (например, ДМСО) может изменить (и часто изменяет) тип реакции SnI на Sn2 вследствие сильного роста эффективности нуклеофила в этой системе.
4.3.	Влияние структуры реагирующих соединений
Интересная закономерность наблюдается в реакции галогенидов (5) — (8) с основанием. Как известно, галогениды (5) и (8) легко гидролизуются, а соединения (6) и (7) более устойчивы.
СН3—Вг	МеСН2—Вг	Ме2СН—Вг	Ме3С—Вг
(5)	(6)	(7)	(8)
Кинетические кривые гидролиза этих галогенидов в разбавленном водно-спиртовом растворе гидроксида натрия приведены на рис. 4.1 *.
* По данным Ингольда; см.: Ingold С. К. Structure and Mechanism in Organic Chemistry (имеется русский перевод: Ингольд К. Механизм реакций и строение органических соединений: Пер. с англ./Под ред. И. Л. Кнунянца и Я. Ф. Комиссарова. М.: Мир, 1959. 673 с. — Прим, ред.)
94
Рис. 4.1.
С помощью кинетических исследований обнаружено, что порядок реакции и, возможно, механизм изменяются в точке пересечения кинетических кривых. Так, скорости гидролиза бромметана (5) * и бромэтана (6) описываются уравне- -нием реакции второго порядка. Скорость гидролиза 2-бромпропана (7) подчиняется уравнению реакции смешанного первого и второго порядков, причем относительная доля реакции второго порядка зависит от исходной концентрации ионов -ОН (чем выше эта концентрация,
тем больше доля реакции второго порядка); общая скорость реакции для этого соединения минимальна в рассматриваемом ряду. Гидролиз 2-бром-2-метилпропана (8), как показано, подчиняется кинетическому уравнению первого порядка.
Для того чтобы найти объяснение предполагаемому переходу от одного механизма к другому, необходимо рассмотреть в каждом случае влияние на переходное состояние как электронных, так и стерических факторов. В случае реакции Sn2 можно ожидать, что увеличение индуктивного эффекта с ростом числа метильных групп в рассматриваемом ряду соединений снижает положительный заряд на углеродном атоме, связанном с бромом, вследствие чего этот атом все труднее атакуется ионом -ОН. Это влияние, вероятно, невелико, и более важны стериче-ские факторы; так, _ОН все с большим трудом атакует связанный с бромом атом углерода при увеличении числа заместителей у этого атома. Еще более важно, что в переходном состоянии, отвечающем механизму Sn2, вокруг атома углерода должно находиться пять групп, тогда как в исходном галогениде — только четыре группы. Это ведет к увеличению «тесноты» при переходе от исходного галогенида к переходному состоянию, причем относительная «теснота» будет нарастать по мере увеличения размеров заместителей (Н->-Ме). Чем больше стерическая напряженность переходного состояния по сравнению с исходными соединениями, тем выше его энергия и тем медленнее оно образуется. Таким образом, следует ожидать, что скорость реакции, протекающей по чистому механизму Sn2, должна уменьшаться, когда приведенные выше кинетические кривые пересекаются. Фактически можно осуществить нуклеофильное замещение (Br~+RCl) в ряду галогенидов, аналогичных рассмотренным выше таким образом, чтобы реакции всех членов ряда строго подчинялись уравнению второго порядка (механизм Sn2). Относительные скорости 5ы2-реакций таких галогенидов приведены
95
ниже:
СН3С1	1	Ме2СНС1 4,9-10 4
МеСН2С1 27 • 10~2	Ме3СС1 2,2  10“5
В реакции, протекающей по механизму SnI, в переходном состоянии наблюдается значительное разделение заряда; образующуюся при этом промежуточную ионную пару часто принимают в качестве модели переходного состояния. При переходе от СН3Вг к МезСВг в приведенном выше ряду галогенидов увеличивается стабилизация карбокатиона ионной пары, т. е. увеличивается скорость образования переходного состояния. Это увеличение стабилизации обусловлено действием как индуктивного эффекта
Н—С—Н < Н—С—Н < Ме->С—Н < Ме.>Сч-Ме, |	ф	f
Н	Me	Me	Me
так и эффекта сверхсопряжения (см. разд. 1.5.4) с участием атомов водорода, связанных с а-углеродиыми атомами, например:
Me—С—Me	Me—С—Me
Н—СН2	Н+ СИ2
Карбокатионы приведенного выше ряда имеют 0, 3, 6 и 9 таких атомов водорода соответственно.
Подтверждением взаимодействия связей Н—С с атомом углерода, несущим положительный заряд, является тот факт, что замещение Н на D в исходном галогениде снижает скорость образования ионной пары на » 10 % в расчете на каждый внедренный атом дейтерия; этот результат сравним с примерами, когда в ионизацию вовлекаются только связи Н—С. Указанное явление называется вторичным кинетическим изотопным эффектом-, вторичным потому, что в данном случае разрывается другая связь — ие та, что содержит изотопную метку (см. разд. 2.3.3). Относительные вклады эффекта сверхсопряжения и индуктивного эффекта ие определены; важно то, что некоторые карбокатионы вообще могут образоваться только тогда, когда они могут принимать плоское строение, т. е. в состоянии, в котором сверхсопряжение может действовать наиболее эффективно (см. разд. 5.1.3).
Пространственные затруднения уменьшаются при переходе от исходного галогенида с тетраэдрическим расположением четырех заместителей вокруг $р3-гибридизоваииого атома углерода к карбокатиону с плоским расположением трех заместителей (ср. переходное состояние в случае механизма Sn2 с пятью заместителями) вокруг «р2-гибридизоваииого атома углерода. Эти три заместителя в плоском карбокатионе максимально удалены
96
друг от друга, н относительное снижение напряженности (при переходе от галогенида к карбокатиону) будет увеличиваться по мере увеличения размеров заместителей (Н -> Ме-> Ме3С). Можно было бы ожидать, что скорость реакции, протекающей по механизму SN1, будет заметно возрастать (на основании как электронных, так и стерических критериев) в приведенном выше ряду галогенидов в направлении слева направо. Оказалось, однако, невозможным подтвердить это экспериментально: не удается создать такие условия, чтобы каждый из галогенидов (5) — (8) реагировал в соответствии с механизмом SN1.
Таким образом, становится ясным, почему скорость реакции Sn2 уменьшается, а скорость реакции SN1 возрастает в ряду соединений, приведенных на рис. 4.1: причины изменения скоростей реакции заключаются в изменении механизма реакции.
Сходное, хотя и значительно более быстрое изменение механизма происходит и для соединений:
СН3—С1	СбН5СН2-С1 (С6Н5)2СН-С1	(С6Н5)3С-С1
(9)	(Ю)	(11)	(12)
Так, скорость гидролиза фенилхлорметана (бензнлхлорид) (10) в 50 %-м водном ацетоне описывается уравнением смешанного второго и первого порядков, причем при использовании воды, не содержащей ацетон, реакция почти полностью идет по механизму SnI. Скорость гидролиза дифеннлхлорметана (11) описывается уравнением первого порядка, а общая скорость реакции очень сильно возрастает. Ионизация трифеннлхлорметана (тритилхлорид) (12) выражена настолько сильно, что раствор этого соединения в жидком SO2 обладает электрической проводимостью. Главная причина столь ярко выраженных примеров легкости ионизации и обусловленного ею перехода к механизму SnI в этом ряду состоит в значительной стабилизации карбокатиона путем делокализации его положительного заряда:
Это классический пример иона, стабилизированного путем делокализации заряда при содействии делокализованных л-орбиталей бензольного ядра (ср. отрицательно заряженный фено-ксид-ион; разд. 1.5.2). С увеличением числа фенильных групп у реакционного центра в галогенидах (11) и (12) этот эффект становится все более выраженным, возрастают возможности делокализации положительного заряда в соответствующих карбокатионах, вследствие чего протекание реакций по механизму SnI облегчается еще сильнее.
4 П. Сайкс
97
Показано, что группа СН2 в соединении (10) атакуется по механизму Sn2 практически с такой же скоростью, как и в соединении МеСН2С1. Это дает возможность предположить, что любое неблагоприятное стерическое затруднение в переходном состоянии, вызванное объемистой группой С6Н5 компенсируется небольшим электронным (индуктивным?) эффектом, ускоряющим реакцию.
Аналогичная стабилизация карбокатиона возможна и при гидролизе аллилгалогенидов, например 3-хлорпропена:
СН2=СН—СН2С1 —>- [СН2=СН—СН2	СН2—CH=CH2J СГ
Атака по механизму SnI в этом случае облегчается, и аллил-галогениды, подобно бензилгалогенидам, обычно более активны, чем, например, СН3СН2СН2С1 и С6Н5СН2СН2СН2С1, для которых подобная стабилизация карбокатиона невозможна. Атака по механизму Sn2 также облегчается по сравнению с СНзСН2СН2С1, возможно, из-за некоторого электронного эффекта двойной связи, ускоряющего реакцию, причем это ускорение не устраняется неблагоприятным стерическим эффектом, как и в случае объемистой С6Нз-группы в С6Н5СН2С1 (см. выше). Показано, что относительный вклад каждого из двух механизмов в суммарную реакцию зависит от определенных условий: для более сильных нуклеофилов предпочтительнее механизм Sn2 (см. разд. 4.5).
Наоборот, винилгалогениды, такие как хлорэтен СН2 = СНС1, и галогенбензолы, очень нереакционноспособны по отношению к нуклеофилам. Это следует из того факта, что атом галогена в этих соединениях связан с зр2-гибридизованным атомом углерода, в результате чего электронная пара связи С—С1 оттянута к углероду больше, чем в связях с участием зр3-гибридизован-ного атома углерода. Связь С—С1 в указанных соединениях более прочная и поэтому менее легко разрывается, чем в случае, например, СН3СН2С1; дипольный момент связи С—О, соседней с двойной связью, меньше, а следовательно, слабее тенденция к ионизации (SnI); положительный заряд на атоме углерода недостаточен, чтобы этот атом мог атаковаться ионом -ОН (Sn2); л-электроны двойной связи препятствуют близкому подходу атакующего нуклеофила. Двойная связь не может способствовать стабилизации ни переходного состояния, возникающего по механизму Sn2, ни карбокатиона, образующегося при механизме SnI. Очень многие из таких же соображений приложимы и к га-логеибензолам с их зр2-гибрндизованными атомами углерода и л-орбитальной системой ароматических колец; реакции с участием этих соединений, которые хотя часто и бимолекулярны, в действительности не являются просто реакциями Sn2 (см. разд. 5.2).
98
Влияние стерических факторов на механизм реакции особенно отчетливо наблюдается, когда замещение происходит в (3-положении. Ниже для ряда алкилбромидов приведены относительные скорости реакций (протекающих по механизму Sn2) с ЕЮ~ в EtOH при 55 °C:
СНз—СН2Вг	МеСН2—СН2Вг	Ме2СН—СН2Вг	Ме3С— СН2Вг
(6) 1,0	(13) 2,8-10"1	(14) 3,0-10 2	(15) 4,2-10“®
Какие-либо различия в электронном эффекте групп Me через два насыщенных атома углерода должны быть очень небольшими. Причиной различия в скоростях может быть только сте-рический фактор: возросшая трудность подхода ЕЮ- «с тыла» атома углерода, связанного с Вг, и повышенная напряженность образующегося переходного состояния. Особенно значительное снижение скорости при переходе от 1-бром-2-метилпропана (14) к 1-бром-2,2-диметилпропану (неопентилбромид) (15) объясняется тем, что переходное состояние для первого, хотя и несколько напряженное, может путем вращения вокруг связи а-С—С-[3 принять конформацию (14а), в которой атакующему нуклеофилу EtO~ мешает только атом Н. В то же время снижение напряженности в переходном состоянии (15а) для соединения (15) невозможно (см. также разд. 5.4.2).
(14а)
Переходное состояние (15а) будет, следовательно, иметь большую энергию, его AG+ (см. разд. 2.2.1) будет больше, а скорость реакции соответственно ниже.
Влияние структуры на относительную реакционную способность особенно заметно, когда атом галогена расположен у «головного» атома углерода бициклической системы. Относительные скорости сольволиза ряда соединений в 80 %-м водном этаноле приведены ниже:
Вг	Вг	Вг
(8)1	(16) =И0~6	(17) -10~14
4*
99
Все эти соединения — третичные галогениды, так что атака по механизму SN2 для соединений (16) или (17) невозможна, как и для соединения (8) (ср. разд. 4.3).
Атака по механизму SN2 «с тыла» атома углерода, связанного с Вг, будет предотвращена как в соединении (16), так и в соединении (17), поскольку их структуры имеют форму клетки и являются очень жесткими, что исключает достижение переходного состояния с его обязательным плоским расположением связей по отношению к «головному» атому углерода (см. разд. 4.3). Сольволиз через скоростьлимитирующую стадию образования ионной пары (SN1), как в случае соединения (8), также исключается: образование карбокатионов из соединений (16) и (17) крайне затруднено тем, что жесткая структура не допускает перехода этих карбокатионов в плоское состояние, в котором возможна их стабилизация. Таким образом, эти промежуточные карбокатионы обладают гораздо большим запасом энергии, чем обычные интермедиаты, вследствие чего образуются крайне медленно. Резкое снижение скорости сольволиза соединения (17) по сравнению с соединением (16) отражает большую жесткость структуры относительно «головного» (катионного) атома углерода при наличии одноуглеродного мостика в случае соединения (17) по сравнению с двухуглеродным в случае соединения (16). Эта жесткость еще выше в 1-бромтрипти-цене (19), в котором, как было показано, атом брома фактически инертен к нуклеофилам.
(18)1
Найдено, что, несмотря на формальное сходство окружения атома брома в соединениях (19) и (18), различие в скоростях их реакций при соответствующих условиях достигает порядка 10~ . И Это происходит потому, что стабилизация карбокатиона, полученного из соединения (18), возможна путем делокализации его заряда с участием л-орбитальных систем трех бензольных колец, тогда как чрезвычайно жесткая структура (19) будет удерживать свободную орбиталь катиона (после потери Вт-) перпендикулярно л-орбитали всех колец, препятствуя, таким образом, делокализации положительного заряда.
100
4.4. Стереохимические аспекты механизма реакций
Гидролиз оптически активной формы хирального* галогенида имеет некоторые интересные стереохимические особенности и поэтому заслуживает отдельного рассмотрения.
4.4.1. Механизм Sn2: обращение конфигурации
Как будет показано ниже, пространственное расположение трех заместителей R, R' и R", связанных с атакуемым атомом углерода, таково, что при атаке они «выворачиваются» внутрь. Такой атом углерода, как говорят, подвергается обращению (инверсии) конфигурации (при этом имеют в виду изменение пространственного расположения заместителей, связанных с этим атомом) :
НО” +
+ Вг~
R'
(?)
Действительно, если бы продуктом реакции вместо соответствующего спирта оказался бромид, то было бы обнаружено, что он вращает плоскость поляризации плоско поляризованного света в противоположном направлении по сравнению с исходным веществом и является, следовательно, его зеркальным отражением (см. разд. 4.4.2). Однако продуктом этой реакции является спирт, и, к сожалению, нельзя сказать, просто наблюдая направление его оптического вращения, имеет ли он ту же конфигурацию, что и бромид, из которого образован, илн обратную. Для соединений, не являющихся зеркальными отражениями, но имеющих противоположные конфигурации, необязательно противоположное направление вращения плоскости поляризации, в то время как для веществ, имеющих одинаковые конфигурации, необязательно одинаковое направление вращения плоскости поляризации. Таким образом, для того чтобы подтвердить, что указанная выше реакция Sn2 действительно сопровождается обращением конфигурации, как этого требует теория, необходим независимый метод сопоставления конфигураций исходного вещества и продукта, в частности бромида и соответствующего спирта, как в приведенном выше примере.
* Хиральным называют соединение, не совместимое со своим зеркальным изображением.
101
4.4.2. Определение относительной конфигурации
Такое определение основано на том, что если хиральное соединение вступает в реакцию, в ходе которой разрывается связь, соединяющая одну из групп с хиральным центром, то этот центр может претерпевать обращение конфигурации, хотя это и необязательно; если же в ходе реакции такая связь не разрывается, то конфигурация хирального центра должна остаться неизменной.
Известно, например, что в серии реакции тозилирования оптически активного (+)-спирта (20) 4-метилбензолсульфонил-хлоридом (тозилхлорид) связь С—О спирта не разрывается *; следовательно, тозилат (21) должен иметь ту же конфигурацию, что и исходный спирт.
R	R	R
,\ ArSOjCl \	Вг" /
R,|r С—ОН------> R7" C-j-OSOgAr--Вг—С •"« r'
r"Z	R"Z
(20) (+)	(21)	(24)
jMeCO“
F	ZR	R = PhCHp, R'= Me,
HO—C   R' <---МеСО-ьО—C-„r	R" = h, Ar = n-MeC6H4
R"	r"
(23) (-)	(22)
Известно также, что взаимодействие эфира (21) с МеСОг является реакцией замещения, во время которой группа Аг50з(Аг = п-МеС6Н4) вытесняется и на ее место вступает группа МеСО2; следовательно, в ходе этой реакции происходит разрыв связи С—О и при образовании ацетата (22) возможно обращение конфигурации. Щелочной гидролиз ацетата [(22)—>-(23)], как можно показать, не приводит к разрыву связи С—О**, так что спирт (23) должен иметь ту же конфигурацию, что и ацетат (22). Поскольку спирт (23) является зеркальным отражением исходного соединения (20) (имеет противоположное направление оптического вращения), это свидетельствует лищь о том, что вся серия реакций приводит к обращению конфигурации. Однако ясно, что это обращение может произойти только во время
* Это было показано с использованием спирта, меченного ,8О по ОН-группе; обнаружено, что этот атом не отщепляется при образовании тозилата, однако он удаляется при взаимодействии тознлата с МеСО“.
** Гидролиз ацетата, в котором атом кислорода помечен 18О, не приводит к замещению его кислородом воды; тем самым подтверждается, что связь алкил—кислород ацетата в ходе его гидролиза не разрывается (см. разд. 3.3).
102
реакции МеСОг с тозилатом (21). Показано, что при реакциях тозилата (21) с другими нуклеофилами также наблюдается обращение конфигурации. Следовательно, можно полагать, что подобное обращение происходит и при реакции с ионом Вг- с образованием бромида (24), т. е. что бромид (24), подобно ацетату (22), имеет конфигурацию, противоположную конфигурации исходного спирта (20).
Общее правило, согласно которому реакции бимолекулярного замещения (Sn2) сопровождаются обращением конфигурации, было установлено с помощью изящного и очень остроумного эксперимента, в котором галогенид-ион в оптически активном алкилгалогениде замещают таким же самым, но меченным га-логенид-ионом (нуклеофил), например, при действии радиоактивного 1281~ на (+)-2-иодоктан (25):
Ф
РбН13
’28Г+	'С—I
Me”*/ н
(25) (+)
Cg Н и 128s”	1 б-
,28|---С---)
м/ чн
/С6Н]3
3|-с(	+ Г
""Me н
(25а)(-)
Замещение контролировали, наблюдая изменение распределения радиоактивного 1281 между неорганическим иодидом (Nal) и 2-иодоктаном. Было показано, что в этих условиях наблюдается суммарный второй порядок реакции (первый порядок по отношению к 1281~ и к 2-иодоктану); Аг = 3,00 ± 0,25-10-5 (при 30 °C).
Если происходит обращение конфигурации (согласно механизму Sn2), то оптическая активность раствора уменьшается до нуля, т. е. идет рацемизация. Это должно происходить из-за обращения конфигурации молекулы (+)-(25), что приведет к образованию ее зеркального отражения (—)-(25а). Молекула (—)-(25а) «спаривается» с молекулой (+)-(25) с образованием (±)-рацемата; таким образом, наблюдаемая скорость рацемизации будет вдвое больше скорости обращения конфигурации. Реакцию контролировали поляриметрически, измеряя скорость рацемизации. На основе этих данных была вычислена скорость обращения конфигурации; величина k оказалась равной 2,88 ± ±0,03-10~5 (при 30 °C).
Таким образом, скорость замещения и скорость обращения конфигурации в пределах ошибки опыта одинаковы, из чего следует, что каждый акт бимолекулярного замещения должен протекать с обращением конфигурации. Считают доказанным, что реакции типа Sn2 сопровождаются обращением конфигурации; если независимо показано, что данная реакция протекает по механизму Sn2, то этот факт часто используют для корреляции между конфигурациями исходного вещества и продукта реакции.
103
4.4.3.	Механизм SN1: рацемизация?
Если карбокатион, образующийся на медленной, скоростьлимитирующей стадии реакции, является плоским, то можно ожидать, что последующая атака нуклеофилом, например ионом -ОН или молекулой растворителя (Н2О :), будет происходить с равной вероятностью с любой стороны этого плоского карбокатиона, что приведет к образованию смеси, где 50 % молекул имеют такую же конфигурацию, как исходное вещество, а 50 % — противоположную, т. е. будет происходить рацемизация, приводящая к оптически неактивному продукту
(+)
I? _
I он
С+ ------
Z ч
R' R"
ВГ
R / ?—СГ„ \ "R
R" (50%)
, ,.с—он
R ' / R"
(50)%
На практике, однако, ожидаемая рацемизация — и только рацемизация — наблюдается редко, она почти всегда сопровождается в некоторой степени инверсией. Показано, что относительные доли каждого из этих процессов зависят от структуры галогенида, в частности от стабильности образующегося из него карбокатиона, а также от растворителя, в частности от его способности выступать в качестве нуклеофила. Чем более стабилен карбокатион, тем больше степень рацемизации; чем более нуклеофилен растворитель, тем больше степень инверсии. Эти закономерности становятся понятными, если стадию ионизации, лимитирующую процесс SnI, представить схемой:
б+ б-
R—Вг
R+ В Г
R+
+ ВГ
(26)
(27)	(28)
В этой схеме (26) представляет собой внутреннюю ионную сильно ассоциированы и между ними нет молекул растворителя, (27) —разделенную растворителем ионную пару, а (28) —диссоциированную и раздельно сольватированную пару ионов.
При сольволизе атака карбокатиона R+ молекулой растворителя, например Н2О :, в случае (26) ведет, вероятно, к обра-пару, в которой совместно сольватированные противоионы очень
104
щению конфигурации, поскольку атака может происходить (с участием сольватной оболочки) с «задней» стороны R+, но не с «передней», где нет молекул растворителя и которая прикрыта противоионами Вг- Атака в (27), возможно, идет с обеих сторон, приводя к рацемизации; атака в (28) с равной вероятностью может происходить с обеих сторон. Таким образом, чем больше время существования R+, т. е. чем дольше он избегает нуклеофильной атаки, тем больше доля рацемизации. Время существования R+, вероятно, тем больше, чем он стабильнее (см. выше), но тем меньше, чем более сильным нуклеофилом является растворитель (см. выше).
Например, сольволиз (+)-С6Н5СНМеС1, который может образовать стабилизированный карбокатион бензильного типа (см. разд. 4.3), приводит к 98 %-й рацемизации, в то время как сольволиз (4-)-СбН]3СНМеС1, в ходе которого нет аналогичной стабилизации, приводит только к 34 %-й рацемизации. Сольволиз (4-)-СбН5СНМеС1 в смеси ацетона (80%) и воды (20%) приводит, как и выше, к 98 %-й рацемизации, но в более нуклеофильном растворителе—чистой воде — только к 80 %-й рацемизации.
Такие же общие рассуждения применимы к реакциям нуклеофильного замещения нуклеофилами Nu:, однако в этом случае время существования R+ больше отчасти из-за того, что сольватная оболочка должна быть удалена перед атакой R+ нуклеофилом Nu:. Важно отметить, что рацемизация, конечно, предъявляет гораздо меньшее стереохимическое требование в реакциях SnI, чем обращение конфигурации в реакциях Sn2.
4.4.4.	Конкуренция механизмов
Выше уже отмечалось (см. разд. 4.3), что реакции некоторых субстратов, например вторичных галогенидов, могут быть описаны уравнением смешанного первого и второго порядка. В этом случае возникает вопрос, протекает ли такая реакция по механизмам Sn2 и SnI одновременно (их относительные доли могут зависеть от растворителя и т. д.), или же она протекает по некоторому специфическому «промежуточному» механизму?
В реакциях сольволиза, подобных тем, что уже были рассмотрены, в которых растворитель сам является нуклеофилом, такая смешанная кинетика может не обнаруживаться, независимо от того, что происходит в действительности, потому что скорости реакций как SnI так и SN2 должны, очевидно, подчиняться следующему уравнению:
Скорость = &[RX).
ЭтО объясняется тем, что в реакции SN2 концентрация нуклеофила остается практически постоянной на протяжении всего
105
процесса, поскольку нуклеофил, а он является также и растворителем, присутствует в очень большом избытке. Возникает вопрос, обусловлено ли одновременное протекание рацемизации и обращения конфигурации, наблюдаемое в таких случаях, совместным действием механизмов SnI и Sn2 или же оно является следствием приведенной выше гипотезы, предусматривающей образование различных ионных пар.
По крайней мере, в некоторых случаях можно доказать, что «смешанный» SnI + Sn2 механизм не действует. Например, упомянутый выше сольволиз (+)-С6Н5СНМеС1 в МеСО2Н, как было показано, приводит к 88 %-й рацемизации и 12 %-му обращению конфигурации:
Me	Me
I	MeCOjH |
PhCH—Cl ------► PhCH—OCOMe
(+)	(рацемизация 88%,
инверсия 12%)
При добавлении в реакционную смесь гораздо более сильного нуклеофила МеСО2 (в виде МеСОг Na+) было обнаружено, что общая скорость реакции и доля обращения конфигурации не увеличиваются. Имеются все основания полагать, что наблюдаемое в этом случае обращение конфигурации не обусловлено той частью суммарной реакции, которая протекает по механизму Sn2 одновременно с механизмом SnI (основной механизм). Если бы это было так, то можно было бы ожидать, что применение гораздо более сильного нуклеофила МеСОг (вместо МеСО2Н) приведет к заметному увеличению как общей скорости, так н доли обращения конфигурации.
Очень интересно (независимо от приведенных выше данных) обсудить вопрос: возможен ли непрерывный спектр механизмов, промежуточных между Sn2 и SnI, т. е. имеются ли механизмы, незаметно переходящие один в другой — через постепенно изменяющиеся переходные состояния — со стороны чистого механизма Sn2, и механизмы, проходящие через постепенно изменяющиеся комбинации ионная пара — растворитель со стороны чистого механизма SnI? Эта область теории незаметно переходит, однако, в семантику, если даже не в теологию!
4.4.5.	Механизм S^i: сохранение конфигурации
Несмотря на то что было сказано выше о реакциях замещения, приводящих к обращению конфигурации или к рацемизации или к тому н другому, известен ряд реакций, протекающих с фактическим сохранением конфигурации, т. е. реакций, в которых исходное соединение и продукт обладают одинаковой конфигурацией. Одной из таких реакций, в которой это было обна
106
ружено, является замещение ОН на С1 с использованием тио-нилхлорида SOCl2:
Me	Me
\ soci2 \ Ph"'"/C'"0H-----^Ph<C-Cl + S°2 + HCl
H	H
(29)	(30a)
Показано, что эта реакция подчиняется кинетическому уравнению второго порядка:
Скорость = &2[ROH[ [SOCIj].
Очевидно, она не может протекать по обычному 5м2-меха-низму, так как это должно было бы привести к обращению конфигурации продукта (см. разд. 4.4.1), что на самом деле не обнаружено.
При проведении этой реакции в более мягких условиях удается выделить алкилхлорсульфит ROSOC1 (31) и показать, что он является истинным промежуточным соединением. В соединении (31) сохраняется конфигурация исходного спирта, связь R—О не расщепляется во время реакции. Было показано, что скорость, с которой алкилхлорсульфит (31) расщепляется с образованием продукта реакции RC1 (30а), возрастает с увеличением полярности растворителя, а также с увеличением стабильности карбокатиона R+: почти наверняка при этом образуется ионная пара (32). Переход этой ионной пары в продукты реакции протекает быстро, т. е. во внутренней ионной паре (33) внутри сольватной оболочки (ср. разд. 4.4.3). Атака ионом Cl-происходит с той же стороны карбокатина R+, от которой отошел ион “OSOC1, т. е. с сохранением конфигурации:
Me О	Me О	Me	Me
й	Ph Н Ph \	й
(31)	(32)	(33)	(30а)
Вопрос о том, расщепляются ли связи С—О и S—С1 одновременно или же сначала расщепляется связь С—О, все еще остается спорным.
Интересно, что при реакции SOC12 с ROH (29) в присутствии пиридина продукт RC1 претерпевает обращение конфигурации с образованием соединения (306). Это происходит потому, что НС1, выделяющийся при образовании хлорсульфита (31) из ROH и SOC12, превращается в пиридине в C5H5NH+ С1~ и,
107
являясь эффективным нуклеофилом, атакует соединение (31) «с тыла», как в обычной реакции SN2, т. е. с обращением конфигурации:
С1“ +
Ме О \ II ,,с—osct—►
Ph*'/ Н
(31)
Me О I* Ме
I 116-	/
— с-—OSCI —>-ci-c	+so2+ci
Р|/ чн	r*ph
(ЗОб)
4.4.6.	Участие соседних групп: «сохранение» конфигурации
Известны некоторые примеры сохранения конфигурации в реакциях нуклеофильного замещения, общей особенностью которых является то, что атом .или группа, расположенный рядом с атакуемым атомом углерода, имеет свободную пару электронов. Эта соседняя группа может использовать свою пару электронов, чтобы взаимодействовать «сзади» с атомом углерода, у которого происходит замещение, препятствуя тем самым атаке нуклеофильным агентом. Атака может происходить, следовательно, «спереди», что и приводит к сохранению конфигурации. Например, гидролиз 1,2-хлоргидрина (34) в присутствии оснований приводит к образованию 1,2-диола (35), имеющего ту же самую конфигурацию:
HOCEt2	CEt2
\» '“ОН _ / \* о
'С—С1-----(О / ,С—С1
Ме'"*/	,
Н	Ме Н	CEt2
(34)	(36)	0<Зс’J-°H
H°CEt2	CEt2	H №
(35)	(38)
1, 2 - обращение конфигурации
Первоначальная атака соединения (34) основанием приводит к алкоксид-аниону (36), из которого в результате внутримолекулярной атаки образуется эпоксид (37); при этом происходит обращение конфигурации у асимметрического атома С (такие циклические интермедиаты во многих случаях могут
108
быть выделены). Этот атом углерода * в свою очередь подвергается обычной атаке нуклеофилом -ОН по механизму Sn2 с повторным обращением конфигурации. Образовавшийся алкоксид-анион (38) отрывает протон от молекулы растворителя с образованием продукта реакции—1,2-диола (35), имеющего ту же конфигурацию, что и исходное соединение (34). Таким образом, кажущееся сохранение конфигурации является результатом двух последовательных обращений конфигурации.
Другим примером участия кислорода как соседней группы является гидролиз аниона 2-бромпропаноата (39) при низких концентрациях -ОН; было показано, что эта реакция также протекает с сохранением конфигурации. Показано, что скорость этой реакции не зависит от концентрации ионов “ОН. Полагают, что реакция протекает по схеме:
/G\	.С°	СО
V медленно _ / \ . ZS. быстро _ / \ °M’z?~Br----------0;-"С? 0Н ---------U О >-ОН
Me t	.. / \	«.Xi
Н	Me н	Me
(ЗЭ)	(40)	(41)
Является ли интермедиат (40) цвиттер-ионом, как показано на схеме, или очень лабильным а-лактоном (40а), точно ие установлено. При увеличении концентрации нуклеофила (“ОН) увеличивается и доля обычной атаки «сзади» по механизму SN2 с обращением конфигурации.
/С\ .^Ме °— с-н
(40а)
Участие соседних групп наблюдалось не только в случае атома кислорода, но и со стороны других атомов, например атомов серы и азота. Неожиданное увеличение скорости позволяет предположить изменение механизма реакции. Например, показано, что соединение (42) гидролизуется в 104 раз быстрее, чем его кислородсодержащий аналог (44), по-видимому, вследствие участия атома S х, действующего как соседняя группа:
ГХ, медленно _ +	^2°	___
EtS\ /СН2 Cl ———>- EtS —-СН2	EtS^ СН2ОН
сн2	СН2	СН2
(42)	(43)
EtOCH2CH2Cl (44)
* Атака преимущественно идет по этому, а не по другому атому углерода трехчленного кольца, поскольку он более положителен, будучи связан только с одной электроиодЪиориой алкильной группой.
109
Наоборот, атом О: в соединении (44), будучи весьма электроотрицательным, не отдает электронную пару (в отличие от О- в RO" и RCO2; см. выше), и гидролиз соединения {44) протекает, таким образом, через обычную атаку Sn2 внешним нуклеофилом, которая, очевидно, идет гораздо медленнее, чем внутримолекулярная нуклеофильная атака в реакции (42) ->
(43). Образование циклической сульфониевой соли (43) подтверждается гидролизом соединения (45), при котором образуются два спирта [причем неожидавшийся спирт (47) — с высоким выходом], что указывает на участие несимметричного интермедиата (46):
Me
медленно
Me
СН2
н2о ------- быстро
(45)
Me	Me
I	I
--->- EtSCH2-СИОН + EtS-CH-CH2OH
(47)
В соответствующих реакциях атом N: также может действовать как соседняя группа. Это наблюдается, например, при гидролизе Me2NCHCH2Cl, однако его скорость заметно меньше (в сравнимых условиях), чем скорость обсуждавшегося выше гидролиза соединения (42), вследствие большей стабильности промежуточного циклического иммониевого иона, аналогичного (43). Такие циклические формы образуются в ходе гидролиза горчичного газа [ди(хлорэтил)сульфид] S(CH2CH2C1)2 и его азотсодержащих аналогов, например MeN(CH2CH2Cl)2; циклические иммониевые соли, образующиеся из последнего, являются сильными нейротоксинами. л-Орбитальная система бензольного кольца также может действовать в качестве соседней группы (см. разд. 5.2 и 13.4.3.1).
4.5. Влияние вступающих и уходящих групп
4.5.1. Вступающая группа
Изменение в применяемом нуклеофильном реагенте, т. е. замена вступающей группы, не приводит непосредственно к изменению скорости реакции замещения по механизму SnI, потому что нуклеофильный реагент не участвует в скоростьлимитирую-щей стадии. При протекании реакции по механизму SN2 с увеличением нуклеофильности реагента скорость реакции должна
110
Увеличиваться. Казалось бы, можно ожидать, что нуклеофиль-ндрть реагента должна коррелировать с его основностью, по-скбдьку оба понятия включают доступность электронных пар и легкость, с которой они могут быть представлены. Эту параллель. однако, нельзя считать строгой; основность определяется способностью передавать электронную пару атому водорода, в то время как нуклеофильность — способностью передавать электронную пару другому атому, очень часто атому углерода; кроме того, основность является термодинамической характеристикой, тогда как нуклеофильность — кинетической; основность мало зависит от стерических факторов, тогда как нуклеофильность очень чувствительна к ним.
Эти различия вытекают, в некоторой степени, из введенного недавно различия между жесткими и мягкими основаниями. Жесткое основание — это основание, в котором атом — донор является очень электроотрицательным, мало поляризуемым и трудно окисляемым; к ним относятся, например, “ОН, ~OR, :NR3. Мягкое основание содержит атом — донор с низкой электроотрицательностью, высокой поляризуемостью и легкой окис-ляемостью; к ним относятся, например, RS~, I~, SCN-. В определенном интервале основности мягкость способствует нуклеофильности. Данные по основности гораздо более доступны и могут быть использованы как для предсказания ожидаемой нуклеофильности, так и для сравнения. Так, если атакующий атом один и тот же, то можно полагать, что основность и нуклеофильность изменяются параллельно: чем сильнее основание, тем более мощным нуклеофилом оно является:
ЕЮ' > PhO' > МеСО; > NO'
При замене нуклеофила возможно также изменение механизма; например, при использовании таких нуклеофилов, как Н2О:, НСОз, МеСО2, замещение идет по механизму SnI, а при использовании -ОН и ЕЮ- оио может пойти по механизму Sn2.
Найдено, что нуклеофильность очень сильно зависит от размера атакующего атома в нуклеофиле, по крайней мере при сравнении в пределах одной и той же группы или подгруппы в Периодической системе элементов, например:
Г > Вг' > СГ RS' > RO'
От размера атома, а также от его электроотрицательности зависит и поляризуемость (ср. упомянутые выше мягкие основания); когда размер атома увеличивается, действие его ядра иа периферические электроны уменьшается, в результате чего оии становятся более легко поляризуемыми и более склонными к связыванию. Кроме того, чем больше размер нуклеофильного иона или группы, тем меньше энергия его сольватации, т. е. тем
111
более легко он превращается в эффективный, преимущественно несольватированный, нуклеофил. Теплоты гидратации ионов I-и F- равны 284 и 490 кДж/моль соответственно. В результате сочетания выше обсужденных факторов большой, хорошо поляризуемый, слабо сольватированный иодид-ион I- является гораздо более эффективным нуклеофилом, чем небольшой, трудно поляризуемый, сильно сольватированный (вследствие образования водородных связей с гидроксилсодержащим растворителем) фторид-ион F-. На этом основании можно было бы ожидать, что скорость реакции при переходе от гидроксилсодержащего растворителя к полярному апротонному растворителю (см. разд. 4.2) увеличивается в гораздо меньшей степени для 1~, чем, например, для Вг~ или С1~, что и было на самом деле обнаружено (в Ме2СО Вг- является лучшим нуклеофилом, чем 1~).
Другой интересный вопрос возникает в отношении нуклеофилов, которые содержат обычно два соответствующих атома, посредством которых они могут атаковать субстрат, — амбидентных нуклеофилов:
[~X~Y *+ X—Y~]
Показано, что в очень полярных реакциях SnI атаку карбокатионного интермедиата R+ осуществляет атом нуклеофила, на котором выше электронная плотность. Например, в случае галогенидов, которые с трудом реагируют по механизму SnI, атака может быть облегчена использованием аниона соли серебра, например AgCN. Ион серебра Ag+ ускоряет образование R+ вследствие осаждения AgHal (ср. разд. 5.1.1):
[~C=N C=N-j медленно	быстро	+
R—Вг + Ag+ [CN]'	R+ + [CN]' --► R-ffeC
В отсутствие иона серебра при использовании Na+ [CN]-, например, протекает реакция Sn2 с преимущественной атакой со стороны того атома в нуклеофиле, который более поляризуем:
в- в-
NC’ + R—Вг —> [NC--R—Вг]* —>- N=C—R + Вг
переходное состояние
Это и понятно, так как, в отличие от реакции SnI, образование связи в таком случае происходит в переходном состоянии в ходе скоростьлимитирующей стадии, для которой легкая поля
112
ризуемость атакующего атома нуклеофила несомненно важнее. Это различие в поведении AgCN и NaCN долгое время использовали в препаративных целях. Аналогично, было показано, что нитрит-ион NO2 образует алкилнитриты RON=O в условиях реакции SnI (атом О имеет более высокую электронную плот-ность) и нитроалканы RNO2— в условиях реакции Sn2 (атом N является более легко поляризуемым атомом).
4.5^2. Уходящая группа
Очевидно, что замена уходящей группы будет изменять скорость реакций как SnI, так и Sn2, поскольку в обоих случаях разрыв связи с уходящей группой осуществляется на медленной скоростьлимитирующей стадии. Можно ожидать, что относительная способность частицы Y в соединении R—Y быть уходящей группой должна определяться: а) прочностью связи R—Y; б) поляризуемостью этой связи; в) стабильностью Y-; г) степенью стабилизации посредством сольватации образующегося иона Y~ в переходных состояниях как механизма SnI, так и механизма Sn2.
Реакционная способность галогенидов (в реакциях SnI или Sn2) уменьшается в ряду:
R—I > R—Вг > R—Cl > R—F
Это дает возможность предположить, что упомянутые выше условия (а) и (б) более важны, чем (в) и (г). Для большого числа потенциальных уходящих групп условие (в) могло бы означать, что чем слабее Y- как основание (или чем сильнее Н—Y как кислота), тем лучше частица Y как уходящая группа. Это подтверждается в некоторой степени рядом уходящих групп, у которых атом, с помощью которого Y связан с R, один и тот же. Например, анионы сильных «кислородных кислот», таких как л-МеСбН48Оз (тозилат; см. разд. 4.4.2) и CF3SO3 (триф лат), являются хорошими уходящими группами (такими же, как анионы галогенидов); для таких О-уходящих групп условия (в) и (г) особенно важны. Относительная активность уходящей группы может, однако, изменяться при изменении растворителя [влияние условия (г)]. Это изменение относительной активности отмечено, в частности, при замене гидроксилсодержащего растворителя биполярным апротонным растворителем (например, Me2SO, HCONMe2 и т. д.); при этом большее значение приобретают не факторы (в) и (г), а факторы (а) и (б).
Высокая поляризуемость делает анион I- хорошей как вступающей, так и уходящей группой; иодид-ион поэтому часто может быть использован в качестве катализатора медленных
113
реакций замещения, например:
медленно
Н2О s + R—С1 -------НО—R + Н+ С1
быстро
F + R-C1 --------1
I-R4-CF
быстро I
Н+ I" + R—ОН -«------1
Это явление называют нуклеофильным катализом. Чем более сильным и жестким основанием является уходящая группа, тем труднее она замещается; в частности такие группы, как -ОН, “OR, -NH2, связанные с атомом углерода с помощью ие1 больших, очень электроотрицательных мало поляризованных атомов (названных выше жесткими основаниями), обычно не могут замещаться непосредственно другими нуклеофилами.
Реакции замещения, которые по каким-либо причинам затруднены или ддже невозможны, можно активировать путем модификации уходящей группы, например посредством протониро-вания, сделав ее, таким образом, более слабым и (или) более мягким основанием. Например, группа ~ОН не может быть непосредственно замещена бромид-ионом Вг- Замещение, однако, легко протекает, если ему предшествует протонирование:
Вг' + R—ОН —х-> Вг—R + 'ОН
• • н+||
Br' + R—ОН —► Вг—R + Н2О
Н
Это объясняют двумя основными причинами: а) Вг- после протонироваиия субстрата атакует положительно заряженную, а не нейтральную частицу; б) очень слабое основание НгО является гораздо лучшей уходящей группой, чем сильноосиовный гидроксид-иои -ОН. Хорошо известное использование HI для расщепления простых эфиров основывается на том, что I- является наиболее сильной нуклеофильной частицей, которая может образоваться в сильиокислом растворе, необходимом для первоначального протонироваиия:
н+ + г
R—OPh ч=* R—OPh  ► R—I + PhOH
Н
114
4.6. Другие реакции нуклеофильного замещения
При обсуждении нуклеофильного замещения у насыщенного атфма углерода основное внимание было уделено атаке поляризованных нейтральных частиц, прежде всего алкилгалогенидов R—Hal, нуклеофильными ионами :Nu~, особенно -ОН. На самом же деле, кроме упомянутых выше реакций к реакциям такого типа часто относят реакции поляризованных нейтральных частиц с незаряженными нуклеофилами:
Me3N : + Et—Вг —> Me3NEt + ВГ
Et2S: + Me—Вг —► Et2SMe + ВГ
реакции положительно заряженных частиц с нуклеофильными анионами:
Г + С6Н13—ОН2 —> С6Н13—1+Н2О:
ВГ + Ме—NMe3 —► Me—Вг + : NMe3
а также реакции положительно заряженных частиц с незаряженными нуклеофилами (в этом случае, возможно, наилучшей уходящей группой является N2):
Н2О: + PhN2 —> PhOH + N2 + Н+
Кроме галогенид-ионов хорошими уходящими группами являются, например, тозилат-анион (ср. разд. 4.4.2) и «внутренние» уходящие группы (ср. разд. 4.4.6):
МеСО2 + ROSO2C6H4Me-n -* MeCO2R + n-MeCgl-HSOf

СН2- СН2->С1СН2СН2О“
Существуют также реакции нуклеофильного замещения, представляющие значительный интерес для синтеза, в которых атакующим атомом является атом углерода в составе карбаниона (см. разд. 10.5.3.2) или группы, являющейся источником отрицательно поляризованного углерода (см. разд. 8.4); в ходе этих реакций образуются новые углерод-углеродные связи:
_NH2	РгВг
НС=СН ------> НС=С~ ----> НС=С-Рг + ВГ
EtO“	- PhCH2Br
CH2(CO2Et)2 ч=ь (EtO2C)2CH -------(EtO2C)2CH—CH2Ph
- Br* d+ d-
BrMg— Ph + C6H13—Br -—► MgBr2 + Ph—C6H13
Необходимо помнить, что в приведенных выше примерах то, что является нуклеофильной атакой по отношению к одному
115
реагенту, является электрофильной атакой по отношению к дру/ тому реагенту. Поэтому любое обозначение такого процесса имеет в некоторой степени произвольный характер, как и в случае наших прежних представлений относительно того, что ^читать реагентом, а что субстратом (см. разд. 8.7).	/
Вряд ли удивительно, что не все реакции нуклеофильного замещения протекают со 100 %-м выходом желаемых продуктов. Как и в других случаях, происходящие при этом побочные реакции дают неожиданные, а в препаративном смысле — и нежелательные продукты. Основной побочной реакцией является элиминирование, приводящее к ненасыщенным соединениям (подробнее см. разд. 8.7).
Глава 5
КАРБОКАТИОНЫ, ЭЛЕКТРОНОДЕФИЦИТНЫЕ АТОМЫ АЗОТА И КИСЛОРОДА И ИХ РЕАКЦИИ
5.1.	Методы образования карбокатионов..............................117
5.1.1.	Гетеролитический распад нейтральных частиц..............117
5.1.2.	Присоединение катионов к нейтральным частицам...........118
5.1.3.	Образование карбокатионов из других катионов............119
V 5.2.	Стабильность и структура карбокатионов.........................119
5.3.	Реакции с участием карбокатионов..............................122
>. 5.4.	Перегруппировки карбокатионов.................................124
5.4.1.	Перегруппировки без изменения углеродного скелета .... 125
5.4.1.1.	Аллильные перегруппировки........................125
	5.4.2. Перегруппировки с изменением углеродного скелета .... 126
5.4.2.1.	Неопентильные перегруппировки....................126
5.4.2.2.	Перегруппировки углеводородов....................127
5.4.2.3.	Пинаколииовая перегруппировка....................128
5.4.2.4.	Стереохимия перегруппировок......................131
5.4.2.5.	Перегруппировка Вольфа...........................133
5.5.	Катионы диазоиия..............................................134
5.6.	Миграция к электронодефицятному атому азота.............. . . .137
5.6.1.	Реакции Гофмана, Курциуса, Лоссеиа и Шмидта.............137
5.6.2.	Перегруппировка Бекмана.................................139
5.7.	Миграция к электроиодефицитиому	атому кислорода..............142
5.7.1.	Окисление кетонов по Байеру — Виллигеру.................142
5.7.2.	Перегруппировка пероксидов..............................144
В предыдущей главе уже упоминалось об образовании карбокатионов (в ионных парах) в качестве интермедиатов некоторых реакций замещения при насыщенном атоме углерода, на
116
пример при сольволизе алкилгалогенидов по механизму SN1. Эуи ионы встречаются, однако, в гораздо большем числе реакций, и хотя их существование часто является только кратковременным, они играют важную роль в разнообразных химических превращениях.
5.1.	Методы образования карбокатионов
5.1.1.	Гетеролитический распад нейтральных частиц
Примером этого процесса является обычная ионизация, когда группа, связанная с атомом углерода, отщепляется со связывающими электронами; при этом образуется ионная пара R+-Y-, например:
Ме3С—Вг	Ме3С+ Вг-	Ph2CH—С1	Ph2CH+ СГ
МеОСН2—С1	МеОСН2 СГ
Для образования карбокатионов обычно необходима сильнополярная (высокое значение е), сильно сольватирующая ионы среда. Выше уже рассматривалось каталитическое действие ионов Ag+ (см. разд. 4.5.1), часто приводящее к изменению механизма реакции SN2 на SnI:
Ag++ R—Вг —► AgBr| + R+
Каталитическое действие Ag+ может осложняться, однако, тем, что выпадающий в осадок галогенид серебра сам может действовать как гетерогенный катализатор.
Ионизация может быть вызвана также кислотами Льюиса, например BF3; в этом случае образуется ацил-катион, причем на равновесие сильно влияет очень большая стабильность аниона BFi •
MeCOF + BF3 4=t MeCO BF;
Аналогичный процесс происходит и при действии А1С13. В этом случае относительно неустойчивый ацил-катион распадается с образованием очень стабильного карбокатиона Ме3С+, причем равновесие сдвинуто вправо вследствие выделения СО:
Ме3ССОС1 + А1С13 Ме3ССО A1CIJ —► Ме3С+ А1СЦ + COf
При использовании SbF5 в качестве кислоты Льюиса и жидкого SO2 (или избытка SbFs) в качестве растворителя были получены простые алкил-катионы в условиях, позволяющих проводить их детальное изучение как методом ЯМР-спектроскопии, так и другими методами.
R—F + SbFs	R+ SbFj
117
Использование «суперкислот», например SbFs/FSChH, приводит К образованию алкил-катионов даже из алканов:
Ме3С—Н + SbF5/FSO3H —► Н2 + Ме3С+ (SbF6)FSO3
Стабильность Ме3С+ иллюстрируется тем фактом, что изомерный карбокатион +СНМеСН2Ме, полученный из МеСН2СН2Ме в этих условиях, практически мгновенно перегруппировывается в Ме3С+. Соотношение между структурой и устойчивостью карбокатионов, а также их перегруппировки рассмотрены ниже (см. разд. 5.1.3 и 5.4.1).
5.1.2.	Присоединение катионов к нейтральным частицам
Наиболее обычным катионом является Н+, присоединяющийся к ненасыщенным связям, т. е. участвующий в протонировании, например в катализируемой кислотами гидратации алкенов (см. разд. 7.4.2):
Н	Н +ОН2	Н ОН
н+ |	+ н2о I |	—н+ |	|
—СН=СН—	—сн—СН— ч — * —СН—СН— ч=* —СН—сн—
Эта реакция обратима, причем обратная реакция больше известна как катализируемая кислотами дегидратация спиртов (см. разд. 9.1). Протонирование может проходить также и по атому кислорода связи С=О:
\в+ в- н+ г\	+	\+	п н2о \ /ОН
V=O	С=ОН ч->- С—ОН I ч=*	+Н+
/	L/	/	J	/ \qH
Это приводит к образованию положительно заряженного атома углерода, который и подвергается атаке нуклеофилом, в данном случае Н2О s, в катализируемой кислотой гидратации карбонильных соединений (см. разд. 8.2). То, что такое протонирование действительно происходит, подтверждается тем, что при растворении кетонов в концентрированной серной кислоте (в отсутствие воды) наблюдается депрессия температуры замерзания, вдвое большая, чем теоретическая; при этом идет следующая реакция:
C=O + H2SO4
с—он 4-н so; *	4
Карбокатионы могут образоваться также при протонировании атомов, содержащих неподеленную пару электронов, если протонируемый атом превращается вследствие этого в лучшую уходящую группу и ионизация таким образом ускоряется:
h2so4	+ H2SO4
Ph3C—ОН ч=* HSO; + Ph3C—OH2 4=i Ph3C++ H3O++ 2HSO;
118
Эту реакцию можно сравнить с приведенным выше протонированием группы ОН, однако в этом случае отсутствует атом водорода, который мог бы (в виде Н+) отщепиться от соседнего атома углерода. Карбокатионы могут образоваться и при использовании кислот Льюиса
С=О: + А1С13 ч=*
С—ОА1С13
а также других катионов, например +NO2 при нитровании бензола (см. разд. 6.2):
Н NO2
В этом случае промежуточным соединением (1) является делокализованный карбокатион.
5.1.3.	Образование карбокатионов из других катионов
Карбокатионы могут быть получены при разложении других катионов, например при разложении катионов диазония, образующихся при действии NaNO2 и НС1 на RNH2 (см. разд. 5.5):
[r— N=N*-*R-^-N=N] —R++N=Nt
Для получения карбокатионов используют также легко доступные карбокатионы; это позволяет получать менее доступные карбокатионы (см. разд. 5.2), например:
Ph3C+' +
5=±Ph3C—Н +
5.2.	Стабильность и структура карбокатионов
Стабильность простых алкильных карбокатионов (см. разд. 4.3) уменьшается в ряду:
Ме3С+ > Ме2СН > МеСН2 > СН3
Это вызвано тем, что увеличение числа метильных групп у атома углерода карбокатиона приводит к увеличению делокализации положительного заряда (с последующей постепенно нарастающей стабилизацией) при участии как индуктивного
119
эффекта, так и эффекта сверхсопряжения (гиперконъюгации). Высокая стабильность иона Ме3С+ подтверждается тем, что этот катион часто возникает в жестких условиях в результате изомеризации других ранее образовавшихся катионов (ср. разд. 5.1.1), а также тем, что он остается неизменным после нагревания при 170 °C в SbF5/FSO3H в течение четырех недель!
Причиной такой стабилизации является плоское строение карбокатиона, поскольку только при плоской конфигурации делокализация может быть эффективной. Квантовомеханические расчеты простых алкил-катионов показывают, что плоская конфигурация (sp2) стабильнее пирамидальной (sp3) иа «84 кДж/моль (20 ккал/моль). Если плоская конфигурация нарушается (или же затрудняется ее достижение), стабильность катиона уменьшается, а следовательно, быстро увеличивается трудность его образования. Это было показано на примере 1-бромтриптицена (см. разд. 4.3), который крайне инертен по отношению к атаке по механизму SnI из-за неспособности «головного» атома углерода принять плоскую конфигурацию, что препятствует образованию карбокатиона. Ожидаемая плоская конфигурация простых катионов была подтверждена методами ЯМР- и ИК-спектроскопии для таких частиц, как Ме3С+ SbFe; они оказались структурно подобны изоэлектронным им триал-килборам R3B.
Основным фактором, определяющим стабильность более сложных катионов, является опять-таки возможность делокализации заряда, особенно если в этом могут участвовать л-орби-тали:
СН2=СН—СН2СН2—СН =СН2
+	6+
Г: 6+!
Me—О —СН2Me—О=СН2
Об активности аллил- и бензилгалогенидов в реакциях SnI уже говорилось ранее. Из-за наличия свободной пары электронов на атоме кислорода сольволиз МеОСН2С1 протекает по крайней мере в 10м раз быстрее по сравнению с СН3С1.
Стабилизация может также осуществляться (по механизму делокализации) вследствие влияния соседней группы: это сопровождается образованием «мостикового» карбокатиона. Например, при действии SbFs в жидком SO2 на п-МеОСбН4СН2СН2С1 (2) образуется катион (3), а не ожидаемый катион (4), поскольку фенил действует как соседняя группа
120
(см. разд. 4.4.6 и 13.4.3.1):
Такие частицы с мостиковой фенильной группой называют феиоииевыми ионами. Эффект соседней группы еще более выражен при наличии группы ОН, а не ОМе в качестве заместителя в пара-положении. В сравнимых условиях сольволиз происходит в « 106 раз быстрее, что объясняется возможностью образования мостикового интермедиата (5), который уже ие является карбокатионом:
МеО^Н-гО	л-о	~0
$ ч
Н2С-СН2-Вг	Н2С—СН2’"ОМе	СН2-СН2ОМе
(5)
Стабилизация по механизму делокализации может сопровождаться также ароматизацией. Было показано, что 1-бром-циклогептатриен-2,4,6 (тропилийбромид) (6), изомерный СбНзСНгВг, в отличие от последнего соединения, является твердым кристаллическим веществом (т. пл. 208 °C) и хорошо растворим в воде, т. е. он не обладает ковалентной структурой (6), а образует ионную пару (7). Причина такого поведения состоит в том, что циклический катион (7) имеет 6 л-электроиов, которые могут быть расположены иа трех молекулярных орбиталях, делокализованных с участием семи атомов углерода. Эта система -электронов, как и в молекуле бензола (см. разд. 1.3.6), подчиняется правилу Хюккеля (4п + 2; п= 1), а соединение в целом обнаруживает квазиароматические свойства:
121
В этом случае стабилизация плоского карбокатиона дости-гается переходом в ароматическое состояние. Существование такой делокализованной структуры подтверждается и тем, что в спектре ЯМР обнаруживается сигнал только одного протона, т. е. все семь атомов водорода эквивалентны. Эффективность такой ароматической стабилизации отражается в стабильности карбокатиона (7), превышающей в «10й раз стабильность сильно делокализованного катиона Ph3C+. Как уже отмечалось (см. разд. 5.1.3), катион (7) может быть генерирован действием Ph3C+ на циклогептатриен.
Особенно интересный случай стабилизации карбокатионов наблюдается в системах, в которых выполняется правило Хюк-келя (4л + 2; л = 0), т. е. в циклических системах с двумя л-электронами (см. разд. 1.3.6). Так, производные 1,2,3-трипропилциклопропена (8) очень легко образуют ионные пары, содер- / жащие соответствующий циклопропенил-катион (9).
Pr у Рг
Рг Рг Рг Рг (8)	(9)
SbCle
Показано, что катион (9) более стабилен, чем катион (7) (в « 103 раза); даже в воде при pH 7 он примерно на 50 % все еще является карбокатионом. Совсем недавно удалось выделить в виде твердого белого кристаллического вещества ионную пару, содержащую циклопропенил-катион (10). Метод ЯМР 13С (ср. разд. 2.3.3) оказался полезным в этом случае, так как положение сигнала положительно заряженного углерода коррелирует с плотностью электронов на этом атоме (ср. разд. 13.7).
5.3.	Реакции с участием карбокатионов
Карбокатионы могут участвовать в реакциях четырех основных типов: а) взаимодействие с нуклеофилом; б) отщепление протона; в) присоединение к ненасыщенной связи; г) перегруппировка.
Реакции первых двух типов приводят к образованию стабильных конечных продуктов, а реакции типов (в) и (г) — к образованию новых карбокатионов, которые могут участвовать в дальнейших превращениях. Это хорошо видно на примере реакции 1-аминопропана (11) с нитритом натрия и разбавленной хлороводородной кислотой [поведение катионов диазония, иа-
122
пример (12), рассмотрено в разд. 5.5]:
MeCH2CH2NH2 NHap,°'-» МеСН2СН2 г N = N —:т-> I4UI	— 1’2
(11)	(12)
+ н,о —МеСН2СН2 МеСН2СН2ОН (13)	(14)
- Н + |(б)	| (г)	он
МеСН = СН2	MeCHCH3-^j->- МеСНСН3
(15)	(16)	(17)
Реакция 1-пропил-катиона (13) с водой [реакция типа (а)] дает пропанол-1 (14); отщепление протона от катиона (13) приведет к пропену (15) [реакция типа (б)]; перегруппировка катиона (13) [реакция типа (г) с миграцией Н_] приведет к 2-про-пйл-катиону (16). При отщеплении протона от катиона (16) образуется пропен (15), а при реакции с водой — пропанол-2 (17). В типичных условиях реакции в полученной смеси продуктов содержалось 7 % пропанола-1, 28 % пропена и 32 % пропанола-2. Более высокий выход пропанола-2 по сравнению с пропанолом-1 объясняется большей устойчивостью катиона (16) по сравнению с катионом (13).
Суммарный выход перечисленных выше продуктов составляет лишь 67 %, и, следовательно, при этом идут и другие реакции. Действительно, в системе присутствуют и другие нуклеофилы, например СГ и NO2, способные реагировать как с катионом (13), так и с катионом (16). При взаимодействии с NO? возможно образование как RNO2, так и RONO (нитриты могут образоваться и при прямой этерификации образующегося вначале ROH). Катионы (13) и (16) могут также реагировать с ранее образовавшимся ROH, давая эфиры ROR, или реагировать с исходным RNH2, образуя RNHR, который дальше может алкилироваться или нитрозироваться (ср. разд. 5.5). Наконец, любой из этих катионов может присоединиться к двойной связи ранее образовавшегося пропена (15) [реакция типа (в); ср. разд. 7.4.2] с образованием катионов +CHMeCH2R, которые сами могут участвовать в большом числе реакций. Состав смеси реально получаемых продуктов в значительной мере зависит от условий проведения реакции, поэтому неудивительно, что эту реакцию редко используют как удовлетворительный препаративный путь для превращения RNH2—>-ROH.
123
Реакция типа (г) осложняет также алкилирование бензола по Фриделю — Крафтсу (см. разд. 6.5) 1-бромпропаном МеСН2СН2Вг в присутствии бромида галлия GaBr3 — кислоты Льюиса, являющейся катализатором. В этом случае атакующий электрофил является сильнополяризованным комплексом R6++GaBr4--; большая стабильность этого комплекса, в котором Re++ несет положительный заряд в основном на вторичном, а не на первичном атоме углерода (т. е. Me2CHe++GaBr+~~, а не MeCH2CH2e++GaBrJ-~), и в этом случае приводит к гид-ридному сдвигу (см. выше), так что основным продуктом реакции является Me2CHC6Hs.
Такие перегруппировки не всегда протекают так просто, как кажется, например как простая миграция Н_. Это можно показать на примере взаимодействия 13СН3СН2СН3 с А1Вг3. В этом случае продукт реакции состоит из двух частей 13СН3СН2СН3 и одной части СН33СН2СН3, как определено масс-спектрометрическим анализом полученных фрагментов. Возможно, что перераспределение метки проходит при содействии протонированного циклопропанового интермедиата (18):
.С.Н2	___ РН2
Н3 С Yh3	н3 С хСН2А1НВгз
СНз	/С<?
/	+ А1Вг-±=? ,,	HAlBrZ
Н213С—СН3	Н213С—j—СН2	3
Н
(18)
Было показано, что метка находится (в течение нескольких часов) в исходном 2-пропил-катионе СН33СН+СН3, образующемся из СН33СНС1СН3 в присутствии SbF5 при —60 °C.
Реакции отщепления карбокатионов [реакции типа (б)] подробнее рассмотрены в разд. 9.2.
5.4.	Перегруппировки карбокатионов
Перегруппировки с участием карбокатионов можно разделить на два типа: перегруппировки с изменением углеродного скелета и перегруппировки без изменения углеродного скелета. Более важны перегруппировки первого типа, однако сначала кратко остановимся на перегруппировках, протекающих без изменения углеродного скелета.
124
5.4.1.	Перегруппировки, без изменения углеродного скелета
Ранее уже была рассмотрена перегруппировка такого типа (см. разд. 5.3): перегруппировка 1-пропил-катиона в 2-пропил-катион путем миграции атома водорода вместе с электронной парой (т. е. в виде Н_) от С-2 к С-1 карбокатиона, т. е. 1,2-гид-ридный сдвиг:
Н	Н
сн3—сн—сн2 —► СНз—сн—<!:н2
Это свидетельствует о большей стабильности вторичного, а не первичного карбокатиона. Сдвиг в обратном направлении может, однако, происходить, если он предоставляет возможность для большей делокализации л-электронов бензольного кольца (т. е. при переходе от третичного карбокатиона к вторичному):
ОН	Н	Н
I FSo3H I	* I
PhCH2—СМе2 —sbF--> PhCH—СМе2 —► PhCH—СМе2
Существуют и еще более интересные перегруппировки, присущие делокализованным катионам, например аллильные перегруппировки.
5.4.1.1.	Аллильные перегруппировки
При сольволизе по механизму SnI З-хлорбутена-1 (19) в EtOH образуется не один эфир, а смесь двух изомерных простых эфиров; такая же смесь (т. е. такие же эфиры и приблизительно в тех же соотношениях) получается при подобном сольволизе 1-хлорбутена-2 (20):
OEt
МеСНСН=СН2
С1	/91)
I	EtOH	' , '	EtOH
МеСНСН=СН2 -----►	+	---- МеСН=СНСН2С1
(19)	MeCH=CHCH2OEt	}
(22)
Это можно обяснить тем, что в ходе обеих реакций образуется один и тот же промежуточный делокализованный аллильный катион (23) (ср. разд. 5.2), способный претерпевать последующую быструю нуклеофильную атаку молекулой EtOH как по атому С-1, так и по атому С-3:
[MeCH—СН=СН2 МеСН=СН—СН2] СГ	(23)
Интересно, что если при реакции соединения (19) вместо этанола в качестве нуклеофила использовать ЕЮ- в очень высокой
125
концентрации, реакция протекает по механизму SN2 и образуется только эфир (21). Аллильные перегруппировки наблюдались и в ходе реакций замещения, которые протекают как бимолекулярный процесс. Такие реакции относят к реакциям типа SN2'; полагают, что они протекают следующим образом:
_ R	R
О	I р	I
Nu”: *СН2 = CH - CH - С1 —► Nu - СН2- CH = СН + Cl-
Эти реакции легко протекают при наличии у а-углеродного атома объемистых заместителей, заметно уменьшающих скорость обычного замещения по механизму SN2 у этого атома. Адлильные перегруппировки распространены довольно широко, но установление детального механизма, по которому они протекают, является довольно сложным.
5.4.2.	П ерегруппировки с изменением углеродного скелета
5.4.2.1.	Неопентильные перегруппировки
Как уже отмечалось (см. разд. 4.3), гидролиз 1-бром-2,2-ди-метилпропана (неопентилбромид) (24) по механизму SN2 идет медленно из-за стерических затруднений. В условиях, благоприятствующих протеканию этой реакции по механизму SnI, скорость реакции увеличивается, однако продуктом реакции оказывается 2-метилбутанол-2 (28), а не ожидаемый 2,2-диме-тилпропанол (неопентиловый спирт) (26), т. е. происходит неопентильная перегруппировка:
sn>	+ н2о
Ме3С—СН2Вг -----► Ме3С—СН2 -Х->- Ме3С—СН2ОН
(24)	(25)	(26)
Me	ОН
Ме\	/ме	+ | Н2О |
>С=С/	Ме2С—СН2 -----> Ме2С—СН2Ме
Ме/	\н
(29)	(27)	(28)
Большая стабильность третичного карбокатиона (27) по сравнению с исходным первичным карбокатионом (25) способствует расщеплению связи С—С, сопровождающему миграцию метильной группы вместе с ее электронной парой. Такие изменения углеродного скелета с участием карбокатионов называют перегруппировками Вагнера — Меервейна. Подтверждением участия катиона (27) является одновременное образование ал
126
кена — 2-метилбутена-2 (29) (вследствие потери протона), который не может образоваться из катиона (25).
Возможность протекания таких существенных перегруппировок углеродного скелета в ходе, казалось бы, однозначных реакций, очевидно, наиболее важна при интерпретации результатов экспериментов по установлению структуры, особенно в том случае, когда фактически получаемый продукт является изомером ожидаемого продукта. Некоторые перегруппировки этого типа очень сложны, например в случае образования природных продуктов, таких как терпены, и часто чрезвычайно трудно дать однозначную оценку механизма такой реакции. Для решения этого вопроса нельзя использовать данные о предполагаемом строении продуктов реакции; строение этих продуктов должно быть доказано обычным путем. Ценную информацию можно получить с помощью методов ЯМР ’Н и ЯМР 13С.
Интересно отметить, что в то время как бромид неопентильного типа (30) перегруппировывается в ходе гидролиза, протекающего по механизму SnI, его фенильный аналог не подвергается перегруппировке:
Вг	Me
I SN>	.	+ I
Ме3С—СНМе ------► Ме3С—СНМе ——► Ме2С—СНМе	Продукты
(30)
Вг	Me
I	SN1	+	+	|
Ме3С—CHPh ------► Ме3С—CHPh — х-> Ме2С—CHPh
(31)	(32)	(33)
I
Продукты
Это свидетельствует о большей стабильности бензильного катиона (32), хотя он является вторичным, а не третичным, как катион (33), который мог бы образоваться, но в действительности не образуется, в ходе перегруппировки (ср. разд. 5.2).
5А.2.2. Перегруппировки углеводородов
Перегруппировки типа Вагнера — Меервейна происходят также в процессе крекинга углеводородов нефти, при котором в качестве катализаторов используют кислоты Льюиса. Такие катализаторы генерируют карбокатионы из неразветвленных алканов (ср. изомеризацию меченного 13С пропана; разд. 5.3). Получаемые карбокатионы стремятся перегруппироваться в продукты с разветвленной цепью. В процессе крекинга происходит также расщепление углеродного скелета, однако процессы изомеризации особенно важны, потому что образующиеся при
127
этом алканы вызывают меньшую детонацию в двигателях внутреннего сгорания по сравнению с их неразветвленными изомерами. Необходимо упомянуть, однако, что крекинг нефти можно проводить в присутствии катализаторов, которые способствуют протеканию радикальных реакций (см. разд. 11.2.2).
Перегруппировка алкенов легко протекает в присутствии кислот:
н+	+
Ме3С—СН=СН2	Ме3С—СН—СН3 —►
Ме + I	-н+
—> Ме2С—СН—СН3 *=* Ме2С=СМе2
Эта относительно легко протекающая перегруппировка может оказаться досадной помехой при присоединении кислот, например галогеноводородов (см. разд. 7.3), к алкенам или при катализируемой кислотами гидратации алкенов (см. разд. 7.4.2); при этом могут получаться трудно разделяемые смеси продуктов или (в неблагоприятных условиях) целевой продукт вообще может быть не получен. Кроме того, может происходить присоединение карбокатионов к исходным алкенам или продуктам реакции (см. разд. 7.4.3).
Перегруппировки ди- и полиалкилбензолов также легко происходят в присутствии кислот Льюиса (см. разд. 6.7.4) и в ходе диенон-фенольной перегруппировки (см. разд. 5.4.2.3).
5.4.2.3. Пинаколиновая перегруппировка
Еще одним примером миграции группы, в простейшем случае Ме, к атому углерода карбокатиона является катализируемая кислотами перегруппировка 1,2-диолов в кетоны, например перегруппировка пинакона (34) (ср. разд. 8.2.7) в пинаколин (37):
НО ОН	НО г ОН,
I I н+ 14. -HjO МегС — СМе2 ч	Ме2С—СМе2ч-  *
ОН
I + Ме2С—СМе2---*•
(34)	(35)
НО: Ме	НО Ме
II II I МеС—СМе2^-> МеС—СМег
О Ме
II । МеС—СМе^
(37)
(36)
1,2-Сдвиг метильной группы в катионе (35), который уже является третичным карбокатионом, обусловлен сверхстабилизацией, достигаемой в карбокатионе (36) в результате делокализации заряда с участием пары электронов атома кислорода;
128
катион (36) может также легко отдавать протон с образованием стабильного конечного продукта (37). Можно ожидать, что аналогичная реакция могла бы проходить с другими соединениями, способными образовывать ключевой карбокатион (35). Это в действительности и было обнаружено. Так, соответствующий 1,2-бромгидрин (38) и 1,2-аминоспирт (39) образуют пинаколин (35) при обработке их ионами Ag+ и смесью NaNO2—НС1 соответственно:
НО Вг
II Ад *
Ме2С—СМе2 --------*- (35)	> (37)
(38)	-АдВг 4 j
НО NH2	НО xN=N
I I NaN02	I Ч
Ме2С—СМе2------>- Ме2С—СМе2
(39)	НС’
Был проведен ряд экспериментов, чтобы определить относительную миграционную способность различных групп в пинако-линовой перегруппировке; по относительной легкости миграции группы располагаются в ряд:
Ph > MejC > МеСН2 > Me
Необходимо представлять, что существуют значительные трудности в выборе подходящих моделей для таких экспериментов и интерпретации результатов, которые при этом получаются. Так, при перегруппировке диола (40) показано, что мигрирует именно Me, а не Ph, как можно было бы ожидать из приведенного выше ряда. Однако в этом случае реакция контролируется преимущественным протонированием той ОН-груп-пы, при котором первоначально образуется более стабильный карбокатион (41) [а не (42)], что и предопределяет предпочтительность миграции Me, а не Ph:
НО ОН	Н2СК ОН	ОН
I I Н+ Р I	+1
Ph2C—СМе2----► Ph2C—СМе2—0» Ph2C—СМе2
(40)	2	(41)
^Н+
НО ^6н2	но
Ph2C—СМе	ц > Ph2C—СМе,
О *	*
(42)
5 П. Сайкс
129
Такого рода затруднений можно избежать, выбирая симметричные 1,2-диолы, например (43):
1. н+
2. -Н2О
(43)
Ph. zPh
>-CZ
Аг | ^Аг НО
(44)
4
(45)
В опытах с такими соединениями при определении относительных количеств образующихся кетонов (44) и (45) было установлено, что относительная миграционная способность различных групп уменьшается в ряду:
n-MeOC6H4 > n-MeC6H4 > С6Н5 > п-С1С6Н4 > о-МеОС6Н4
500	15,7	1,0	0,7	0,3
Эта последовательность может быть объяснена (кроме о-МеОСбН4), исходя из уменьшения электронодонорности мигрирующей группы, которая перемещается со своей электронной парой к положительному центру—атому углерода в карбокатионе. Электронодонорными свойствами мигрирующей группы можно также объяснить последовательность, полученную для алкильных групп (см. выше). Группа о-МеОС6Н4, несмотря на то что она является электронодонорной, мигрирует медленнее, чем C6Hs. Большое значение имеют также относительные напряженности переходных состояний. В приведенном выше случае с о-МеОС6Н4 они могут стать преобладающими над электронными эффектами.
Перегруппировкой, которая напоминает перегруппировку, обратную пицаколиновой (ретропинаколиновую перегруппировку), является диенон-фенольная перегруппировка:
(46)	<47)
В ходе этой перегруппировки протонирование исходного дие-дона (46) позволяет полностью восстановить ароматическое со-
130
стояние (47) в результате 1,2-миграции алкильной группы:
5.4.2.4. Стереохимия перегруппировок
Для выяснения стереохимии карбокатионных перегруппировок важно получить ответы на следующие вопросы: что происходит с конфигурацией у атома углерода, от которого уходит мигрирующая группа (источник миграции); что происходит с конфигурацией у атома углерода, к которому присоединяется мигрирующая группа (катионный атом углерода, конечный пункт миграции); что происходит с конфигурацией мигрирующей группы, если она хиральна (например, PhMeCH)? Довольно интересно, что для одного и того же соединения на все эти вопросы никогда не были получены ответы, несмотря на огромное число работ, выполненных по исследованию карбокатионов.
Показано, что мигрирующая группа не становится свободной во время перегруппировки. В совместном эксперименте с двумя пинаконами (48) и (49), которые очень сходны по строению и перегруппировываются почти с одинаковой скоростью, но имеют различные мигрирующие группы (перекрестный эксперимент), перекрестная миграция не была обнаружена:
	Et О “ 1 II РЬ2С—СМе или Ме О 1 II _ Ph2C—CEt _	<~Х-—	- но он ~ 1 1 РЬ2С—СМе2 (48) + НО он 1 1 _ Ph2C—CEt2_
			(49)
Ме ОН ~ I I Ph2C—СМе +
Et О
I II Ph2C—CEt _
Аналогично, при проведении перегруппировок, в которых происходит гидридный сдвиг (ср. разд. 5.4), в дейтерированном растворителе (например, D2O, MeOD и т. д.) дейтерий не обнаруживается в новой С—H(D)-связи конечного продукта перегруппировки. В обоих рассмотренных случаях, таким образом, перегруппировка протекает строго внутримолекулярно, т. е. мигрирующая группа не отделяется от остальной части молекулы,
5*
131
в отличие от межмолекулярной перегруппировки, в ходе которой это происходит.
Это дает возможность предположить, что мигрирующая группа R очень тесно связана с конечным пунктом миграции до полного разрыва ее связи с источником миграции; таким образом можно было бы рассчитывать, что изменение конфигурации невозможно, т. е. конфигурация мигрирующей хиральной группы R* должна сохраняться. Это подтверждается приведенной ниже реакцией (ср. разд. 5.4.2.4), при которой хиральная группа R* действительно мигрирует с сохранением ее конфигурации:
R‘ I н2о
•	nariVn |	+ I при	|
МеСН—СН2------->-МеСН—СН2——>-МеСН—СН2——>-МеСН—СН
•	игч	_»	—К1„	I
| НС1
NH2
ОН
(+)
R* = Ме2СНСН2СНМе
I
Что касается первых двух вопросов (см. выше), то экспериментальные данные подтверждают преобладание обращения конфигурации как в источнике миграции (а), так и в ее конечном пункте (б):
Показано, что в циклических соединениях, где вращение во-Г связи С-1—С-2 сильно затруднено, наблюдается почти пол-обращение конфигурации; в значительной мере обращение конфигурации обнаруживается и в ациклических соединениях. Это можно объяснить, исходя из представления о мостиковом интермедиате (ср. бромониевый ион; разд. 7.1) или переходном состоянии:
Однако нельзя считать, что образование мостика во время перегруппировки происходит обязательно, даже в том случае, когда мигрирующей группой является СвНэ, л-орбитальная система которой, как можно было бы ожидать, способствует ста
132
билизации мостикового карбокатиона посредством делокализации (см. разд; 5.2).
Это отчетливо показано при пинаколиновом дезаминировании (разд. 5.4.2.3) оптически активной формы аминоспирта (50). Такие реакции происходят через антиперипланарную конформацию (50а) или (506), в которой мигрирующая (Ph) и уходящая (:NH2 в виде : N2; ср. разд. 5.4.2.3) группы находятся в транс-положении друг к другу. Перегруппировка через мостиковый карбокатион неизбежно должна привести к 100 %-му обращению конфигурации в конечном пункте миграции образующегося кетона (51а), независимо от того, какая исходная конформация — (50а) или (506) — участвовала в реакции:
Me Н	Ph
(50а) (-)	(51а) (+)
Me Н
Ph ОН
(506) (-)
Фактически найдено, однако, что, хотя обращение конфигурации и было преобладающим [выход кетона (51а) составил 88 %], в продукте реакции содержалось значительное количество (12%) зеркального изомера (516); таким образом, суммарная реакция не может протекать только через образование мостикового карбокатиона. Простейшее объяснение состоит в том, что хотя бы часть общей перегруппировки происходит через немостиковый карбокатион (52а), в котором возможно вращение вокруг связи С-1—С-2 [(52а)	(526)], что ведет к образо-
ванию кетона (516), в котором сохранилась исходная конфигурация [ср. (50а) или (506) и (516)]:
Соотношение продуктов обращения (51а) и сохранения конфигурации (516) в таком случае могло бы быть определено относительной скоростью вращения вокруг связи Q-1—С-2 по сравнению со скоростью миграции группы Ph.
5.4.2.5. Перегруппировка Вольфа
Эта перегруппировка рассматривается отдельно от истинных карбокатионных перегруппировок, поскольку она включает миграцию к незаряженному, хотя и электроиодефицитному,
133
карбеноподобному атому углерода (ср. разд. 9.8), а не к положительно заряженному атому углерода. Реакция включает отщепление азота от а-диазокетонов (53) и перегруппировку с образованием очень реакционноспособных кетенов (55):
/R
>С—СН—N=N------/С—СН—> О=С=С'
// U. -n2 V	\
(53)	(54)	(55)
Кетены затем могут легко реагировать с любым нуклеофилом, присутствующим в системе, например с Н2О.
Реакция может осуществляться в ходе фотолиза, термолиза или обработкой оксидом серебра. В первых двух случаях карбеновый интермедиат (54), возможно, образуется, как показано выше; в реакции, катализируемой серебром, выделение азота и миграция R могут происходить более или менее одновременно. Если группа R хиральна, например С4Н9С*МеРЬ, то она, как было показано, мигрирует с сохранением конфигурации (см. разд. 5.4.2.4).
Диазокетоны (53) могут быть получены путем действия диазометана CH2N2 на хлорангидрнды кислот; последующая перегруппировка Вольфа в присутствии воды приводит к образованию гомолога исходной кислоты (метод Арндта — Эйстерта):
О	О	о
II SOCI2 II ch2n2 1|
RC—ОН ------* RC—С1 -----*- RC—CHN2
(53)
Н ОН
н2о |	|	“
—► RCH=C=O -------RCH—С=О
Ag2O'
—N2
(55)
При проведении реакции не в воде, а в аммиаке или спирте присоединение также происходит по связи С=С кетена с образованием соответственно амида или сложного эфира гомолога исходной кислоты.
Перегруппировка Вольфа имеет формальное сходство с реакцией Гофмана и родственными ей реакциями (ср. разд. 5.6.1), в которых миграция происходит к электронодефицитному атому азота с образованием в качестве интермедиата изоцианата RN = C=O.
5.5. Катионы диазония
Нитрозирование первичных аминов RNH2, например, нитритом натрия и разбавленной кислотой (ср. разд. 5.3) ведет к об
134
разованию катионов диазония (56):
Н
I
RN—N=0 ~+±
••	1 н^* Г •’ +	+	"1
—Ч± RN=N—ОН—;► I RN=N-*—->-R-rN=N---------------R+
2.-НгО L	О J -n2|
(56)
Сама HNO2, вероятно, не является эффективным нитрози-рующим агентом; полагают, что при относительно низкой кислотности среды она существует в виде частицы N2O3 (X =* = ONO), образующейся в ходе превращения:
2HNO2 ONO—NO + H2O
При увеличении кислотности более эффективной нитрози-рующей частицей становится протонированная азотистая кислота Н2О+—NO (Х = Н2О), а затем ион нитрозония +NO (ср. разд. 6.1.1). Однако при проведении нитрозирования должен быть найден компромисс между возрастающей эффективностью нитрозирующего агента при увеличении кислотности раствора и снижением концентрации исходного амина вследствие его протонирования и снижения, тем самым, его реакционной способности.
В случае простых алифатических аминов катионы диазония (56) расщепляются чрезвычайно легко с образованием карбокатионов (ср. разд. 5.3), которые по не совсем ясным еще причинам гораздо 'более реакционноспособны, чем карбокатионы, образующиеся в других гетеролитических процессах, например RBr-*-R+ Вг-. В тех случаях, когда основной целью превращения является генерирование карбокатионов, нитрозированию лучше подвергать производные амина (чтобы избежать образования Н2О) в безводной среде:
coci2	+no sbFe-
RNH2-------RNCO -----------► R+ SbF6- + N2f + CO2f
Однако если R содержит сильную электроноакцепторную группу, то отщепляется Н+, а не молекула N2, с образованием замещенных диазоалканов. Примером такой реакции является превращение этиламиноацетата в этилдиазоацетат:
Н2МСНгСО2Е1
NaNO2 ------►
НС1
N=N-r-CHCO2Et —-> N=N=CHCO?Et
<|	-н+	2
H
135
Неустойчивость алифатических диазониевых катионов в отсутствие какого-либо стабилизирующего структуру фактора в очень большой степени обусловлена эффективностью N2 как уходящей группы. В ароматических диазониевых катионах стабилизирующим фактором является л-орбитальная система ароматического ядра:
. Поскольку первичные ароматические амины — более слабые основания (нуклеофилы), чем алифатические (вследствие взаимодействия электронной пары атома азота с л-электронами ароматического ядра), для их нитрозирования требуется довольно сильный нитрозирующий агент; поэтому реакцию проводят в условиях относительно высокой кислотности, при этом сохраняется достаточная равновесная концентрация непротонированного ароматического анилина (так как он является слабым основанием). В то же время эта концентрация достаточно низка, что препятствует еще недиазотированному амину вступить в реакцию сочетания с ранее образовавшимся ArN2 (ср. разд. 6.6).
Ароматические диазонийхлориды, -сульфаты, -нитраты и т. д. довольно стабильны в водном растворе при комнатной или более низкой температуре, но не могут быть легко выделены без разложения. Фторбораты ArN2 BFi более стабильны (ср. стабилизирующее влияние BFi на другие ионные пары; разд. 6.1.1) и могут быть выделены в твердом состоянии; термолиз сухих твердых фторборатов является важным препаративным методом получения фтораренов:
д
ArNj BF< ---► Аг— F + N2f + BF3^
Как и следовало ожидать, заместители в ароматическом ядре заметно влияют на устойчивость катиона ArN2, причем электронодонорные группы имеют заметный стабилизирующий эффект:
Me2N---------N=N Me2N=</	^>=N=N
Нитрозированию могут подвергаться и вторичные амины, но в этом случае реакция останавливается на стадии образования устойчивого А-нитрозопроизводного R2N—N=O. Третичные алифатические амины сначала превращаются в нитрозотриалкил-аммоний-катион R3N+—N=O, после чего легко разрывается связь С—N с образованием относительно сложных продуктов реакции. В случае ароматических третичных аминов ArNR2 ни-
136
трозирование также происходит, но не по атому азота, а по активированному пара-положению ядра (ср. разд. 6.1.1) с образованием С-нитрозосоединения:
5.6. Миграция к электронодефицитному атому азота
Все рассмотренные выше перегруппировки имеют одну общую черту: миграция алкильной или арильной группы со своей электронной парой происходит к атому углерода, который, независимо от того, является ли он карбокатионным центром или нет, является электронодефицитным. Другим атомом, который может стать электронодефицитным, является атом азота, например, в составе частицы R2N+ или RN: (нитрен; ср. с карбеном). Можно ожидать, что и к таким центрам будет происходить миграция алкильных илн арильных групп, как это было в случае R3C+ и R2C :.
5.6.1. Реакции Гофмана, Курциуса, Лоссена и Шмидта
Типичным примером реакций этого типа является превращение амида (57) в амин (62), содержащий на один атом углерода меньше, под действием гипобромита в щелочной среде (реакция Гофмана):
(57)
ВгО-
>С=0-----*
H2Nz
“ОН R'
"N-rBr
(58)	(59)
Н
t- +	“1 НгО I	-он
RN—С=о -<-> RN—С—О  *-RN~C=O-----------RNH2
J	| -НСО3
ОН
(60)	(61)	(62)
Интересным промежуточным соединением в этой реакции является изоцианат (60), очень напоминающий кетеновый интермедиат в реакции Вольфа (см. разд. 5.4.2.4). Он также присоединяет воду, но образующаяся при этом карбаминовая кислота (61) неустойчива н легко декарбоксилируется с образованием
137
аминй (62). В тщательно контролируемых условиях удаетйя выделить бромамид (58), его анион (59) и изоцианат (60) в качестве интермедиатов; предполагаемый механизм реакции, таким образом, необыкновенно хорошо обоснован. Скоростьлими-тирующей стадией реакции является, вероятно, отщепление иона Вг- от изоцианата (60). При этом возникает вопрос, протекает ли это отщепление согласованно с миграцией группы R, или же образуется карбонилнитреновый интермедиат RCON:, который затем перегруппировывается. Тот факт, что перегруппировка ArCONH2 ускоряется, когда Аг содержит электронодонорные заместители (ср. пинаколиновую перегруппировку; разд. 5.4.2.3), а также то, что образование гидроксамовой кислоты RCONHOH (которое можно было бы ожидать в результате атаки растворителя Н2О на RCON:) никогда не было обнаружено, подтверждают согласованный механизм. Перекрестные эксперименты не приводят к смешанным продуктам, что указывает на строго внутримолекулярный характер перегруппировки. Наконец, было показано, что если группа R хиральна, например С6Н5МеСН, то при миграции ее конфигурация остается неизменной.
Известны реакции (реакции Лоссена, Курциуса и Шмидта), родственные реакции Гофмана. Каждая из них включает образование изоцианата (60) в результате перегруппировки интермедиата, аналогичного соединению (59):
Rx -он R4
\с=О	?>С=О ------R—N=C=O
HN—OCOR'	"N-^OCOR’
(63)	(64)	(6°)
।1 R4 NaNOz R\	HN3 R\
\c=o------->C=O -«------— ;C=O
/	HCt /ъ	e /
HN—NH2 6	"n—N^N H0
(65)	(67)	(66)
a - реакция Лоссена; б - реакция Курциуса; а - реакция Шмидта
Реакция Лоссена протекает при действии основания на О-ацилпроизводное (63) гидроксамовой кислоты RCONHOH; группой, отщепляющейся от интермедиата (64), является группа R'CO2 [ср. отщепление Вг-от интермедиата (59)]. Реакция протекает (.также и с самой гидроксамовой кислотой, но не так легко, как с ее ацилпроизводными, поскольку R'COz — лучшая уходящая группа, чем -ОН. Согласованный механизм перегруп
138
пировки подтверждается тем фактом, что эта реакция облегчается не только при наличии электронодонорных заместителей в остатке R (ср. с реакцией Гофмана), но и при наличии электроноакцепторных заместителей в R'; таким образом, обе эти группы участвуют в скоростьлимитирующей стадии реакции. Как в реакции Курциуса, так и в реакции Шмидта изоцианат образуется в результате отщепления N2 от азидного интермедиата (67). В этих реакциях миграция R также протекает по согласованному механизму. Азид может быть получен при нитрози-ровании гидразида (65) (реакция Курциуса) или при взаимодействии азидоводородной кислоты HN3O с карбоновой кислотой (66) (реакция Шмидта).
5.6.2. Перегруппировка Бекмана
В ряду перегруппировок, при которых группа R переходит от атома углерода к атому азота, наиболее известной, безусловно, является перегруппировка, сопровождающая превращение ке-токсимов в А-замещенные амиды — перегруппировка Бекмана: RR'C=NOH —► R'CONHR или RCONHR'
Эта реакция катализируется различными кислотными реагентами, например H2SO4, SO3, SOC12, Р2Оэ, PCI5, BF3 и т. д., и протекает не только с самими кетоксимами, но и с их О-эфи-рами. В обычных условиях проведения этой реакции только немногие альдоксимы претерпевают перегруппировку, однако при использовании в качестве катализаторов полифосфорной кислоты их число увеличивается. По-видимому, наиболее интересной особенностью этой перегруппировки является то, что, в отличие от уже рассмотренных выше реакций, вопрос о том, какая из групп, R или R', будет мигрировать, определяется не природой этих групп (в частности, не их относительной электронодо-норностью), а их пространственным расположением. Было показано, что практически всегда к атому азота мигрирует группа R, находящаяся в снты-положении к группе ОН (т. е. образуется только R'CONHR):
R^ /R'	НОХ ZR'	/R'
С	кислота	С	с
II ---------*- II	I
: N	N:	N
\эн	r/ , r/ Ni
Для подтверждения этого требуется достоверно установить конфигурации пары оксимов. Это было сделано следующим образом. Показано, что при обработке оксимов (68) ч (69) щелочью один из них циклизуется в бензизоксазол (70) на холоду, тогда как другой устойчив к циклизации даже в гораздо
139
более жестких условиях. Исходя из этого, легко циклизующемуся оксиму была приписана конфигурация (68), в которой атом углерода кольца, связанный с атомом брома, и атом кислорода группы ОН, которая атакует атом углерода, находятся в непосредственной близости:
В оксиме (69), устойчивом к циклизации, реагирующие атомы удалены друг от друга и могут оказаться на расстоянии, достаточном для взаимодействия, только при расщеплении связи C=N в этом оксиме. Конфигурации других пар оксимов могут быть установлены путем сравнения их физических констант с соответствующими константами тех пар оксимов, конфигурации которых уже установлены. Поскольку надежно показано, что в бекмановской перегруппировке мигрирует группа R, находящаяся в цнты-положении, по структуре образующегося амида можно судить о конфигурации оксима, из которого он образуется. Например, как и ожидалось, было найдено, что из соединения (68) образуется только М-метилзамещенный бензамид (71), тогда как из соединения (69) — только арилзамещенный ацетанилид (72):
О
II
АгС—NHMe
О
II MeC-NHAr
(68)	(71)	(69)	(72)
Отсутствие прямого обмена групп R и ОН было показано путем проведения перегруппировки Ph?C = NOH оксима бензофенона в бензанилид PhCONHPh в среде Нг8О. Поскольку ни исходный оксим, ни образующийся анилид не обменивают свой кислород на 18О при растворении в Нг8О (как это было точно установлено), простой внутримолекулярный обмен между Ph и ОН не может привести к включению !8О в продукт перегруппировки. Оказалось, что образующийся бензанилид содержит 18О в той же пропорции, что и исходная вода. Это свидетельствует о том, что перегруппировка должна происходить с отщеплением ОН-группы оксима и последующим введением кислорода из молекулы воды. Основная функция кислотного катализатора фак
140
тически состоит в том, чтобы превратить ОН-группу оксима в лучшую уходящую группу с помощью цротонирования, этерификации и т. д.
Предполагают, что перегруппировка протекает по схеме:
О	НО
)С— NHR^r~	pc=NR
FT	R'
(77)	(76)
(75)
В присутствии сильных кислот перегруппировка протекает путем О-протонирования оксима с образованием соединения (73а) с последующим отщеплением воды и образованием катиона (74). При действии на оксимы хлорангидридов, PCI5 и т. д. образуется промежуточный эфир (736), в котором анион -ХО~ является хорошей уходящей группой, что также способствует образованию промежуточного соединения (74). Был получен ряд эфиров (736), и было показано, что они легко перегруппировываются в ожидаемые амиды в отсутствие кислотного катализатора в нейтральных растворителях. Чем сильнее кислота ХОН, т. е. чем более способен анион к независимому существованию, тем лучшей уходящей группой должна быть ХО~ и тем быстрее, следовательно, будет происходить перегруппировка. Это наблюдается в следующем ряду ХО": СН3СО2 < <С1СНаСО2 < РИБОз- Утверждение, что указанная ионизация является скоростьлимитирующей стадией реакции, согласуется с тем наблюдением, что скорость реакции увеличивается с повышением полярности растворителя.
Как и в случае перегруппировок, рассмотренных выше, отщепление уходящей группы и миграция R, как полагают, происходят преимущественно одновременно в ходе превращения (73) в (74). Это подтверждается четким внутримолекулярным характером реакции (не обнаружены никакие перекрестные продукты; ср. разд. 5.4.2.4), уже упоминавшейся высокой стереоселективностью (мигрирует только R, но не R') и тем фактом, что
141
группа R, если она хиральна, например PhCHMe, сохраняет конфигурацию при миграции. Возможно, это отражает также большую стабильность катионного интермедиата (74) (который был обнаружен методом ЯМР-спектроскопии) по сравнению с интермедиатом RR'C=N+, который мог бы быть получен, если бы отщепление уходящей группы предшествовало миграции R. Перегруппировка завершается атакой воды (именно на этой стадии происходит включение |8О в рассмотренной выше перегруппировке оксима бензофенона в среде 18ОН2) катионного атома углерода интермедиата (74) с образованием соединения (75) с последующим отщеплением протона и образованием енольной формы (76) амида (77).
Об использовании бекмановской перегруппировки для выяснения вопросов стереохимии при установлении конфигурации кетоксимов уже упоминалось; эта реакция применяется также при промышленном синтезе полимера найлона-6, применяемого при изготовлении синтетических волокон, из оксима циклогексанона (78) через циклический амид (лактам) (79):
5.7. Миграция к электронодефицитному атому кислорода
Можно ожидать, что должны существовать аналогичные перегруппировки, в которых конечным пунктом миграции является электронодефицитный атом кислорода; действительно, такие перегруппировки известны.
5.7.1. Окисление кетонов по Байеру — Биллигеру
Окисление кетонов пероксидом водорода или пероксикисло-тамн RCO2OH (ср. разд. 11.5.2.2) приводит к сложным эфирам:
О	О
II НгО2 ||
R—С—R ----->• R—С—OR
142
Циклические кетоны превращаются в лактоны (циклические эфиры):
н2о2
Реакции, вероятно, протекает по следующей схеме:
О
R—С—R
ОН I	1.RCO3H
R—С—R -----—
+	2.-Н+
ОН
R—С—R —;---
-R COJ
R'COO-rO
(80)
(81)
О-т-Н
О
|	~н+
OR
(82)
R—С
OR (83)
Протоиирование кетона (80) с последующим присоединением пероксикислоты приводит к аддукту (81); отщепление хорошей уходящей группы RCO2 и миграция R к образующемуся электронодефицитному атому кислорода приводят к протонированной форме (82) эфира (83). Этот механизм подтверждается тем фактом, что окисление 18O=CPh2 приводит к образованию только PhC18OOPh, т. е. не наблюдается «разбрасывания» метки 18О в образующемся эфире. То, что отщепление R'CO2 и миграция R протекают согласованно, подтверждается ускорением реакции при наличии электроноакцепторных заместителей в уходящей группе R' и электронодонорных заместителей в мигрирующей группе R: согласованное превращение (81) в (82), таким образом, оказывается скоростьлимитирующей стадией реакции. Показано также, что хиральная группа R мигрирует с сохранением конфигурации. При окислении несимметричного кетона RCOR' могла бы мигрировать любая из двух групп, однако экспериментально показано, что мигрирует, обычно более нуклеофильная группа, способная лучше стабилизировать положительный заряд (ср. с пинаколиновой перегруппировкой; разд. 5.4.2.3). Однако, например в последней реакции, стерические эффекты также имеют значение и могут иногда заметно изменять порядок миграционной способности групп, ожидаемый на основе их элек-тронодонорности.
143
5.7.2. Перегруппировки пероксидов
Перегруппировка, очень сходная с описанной выше реакцией Байера — Виллигера, наблюдается при катализируемом кислотой разложении гидропероксидов ROOH, где остаток R — содержит вторичный или третичный атом углерода, связанный с алкильными или арильными группами. Хорошим примером является разложение гидропероксида (84), полученного при окислении кумола (изопропилбензол) кислородом воздуха; этот процесс используют в промышленности для получения фенола и ацетона:
О—ОН	О-гОНо OPh
1 Н+ Л । и J 1-Н2°
Ph—СМе2 Ph—СМе2 -------------> СМе2-----►
(84)	(85)	"Н2° (86) 2’"н+
OPh
I н+, н2о
—► НО—СМе2---------► О=СМе2 + PhOH
(87)
И в этом случае отщепление уходящей группы (Н2О) и миграция Ph к образующемуся электронодефицитному атому кислорода в (85) очевидно согласованны. Присоединение воды к карбокатиону дает полуацеталь (87), который легко гидролизуется при данных условиях реакции до фенола и ацетона. Показано, что в (85) преимущественно мигрирует Ph, а не Me, как и можно было ожидать на основе предыдущего опыта. Показано, что наличие электронодонорных заместителей в мигрирующей группе увеличивает скорость реакции и усиливает способность такой группы к миграции по сравнению с ее незамещенным аналогом. Возможно, что превосходная способность к миграции фенильной группы объясняется образованием мостикового переходного состояния:
6t zCMe2
Phf | 6+
'О—он2 61-
Интермедиаты типа (86) были обнаружены в растворах суперкислот (ср. разд. 5.1.1); их строение подтверждено методом ЯМР-спектроскопии.	• •
В приведенных примерах рассмотрено по существу гетеро-литическое расщепление пероксидных связей —О: О— —► —>—О+:О' в полярных растворителях. В подходящих условиях возможно и гомолитическое расщепление с образованием радикалов—О: О— —> —О- "О— (см. разд. 11.2.2).
144
Глава 6
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ И НУКЛЕОФИЛЬНОЕ
ЗАМЕЩЕНИЕ В АРОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
6.1.	Электрофильная атака бензола..............................145
6.1.1.	л- н <т-Комплексы.................................  145
6.2.	Нитрование................................................148
6.3.	Галогенирование............................................153
6.4.	Сульфирование.............................................155
6.5.	Реакции Фриделя — Крафтса.................................156
6.5.1.	Алкилирование.......................................156
6.5.2.	Ацилирование........................................160
6.6.	Азосочетание............................................. 162
6.7.	Электрофильная атака монозамещенных бензолов..............166
6.7.1.	Электронные эффекты заместителей....................167
6.7.1.1.	У = +NR3, CCI3, NO2, СНО, СО2Н	и др..........168
6.7.1.2.	У = Aik, Ph..................................169
6.7.1.З.	У = OCOR, NHCOR, OR, ОН, NH2, NR2............171
6.7.1.4.	- У = Cl, Вг, I..............................173
6.7.2.	Факторы парциальных скоростей и селективность.......174
6.7.3.	Соотношение орто- и мра-нзомеров....................176
6.7.4.	«псо-Замещение......................................179
6.8.	Кинетический и термодинамический контроль.................181
6.9.	Электрофильное замещение в других ароматических системах . . 182
6.10.	Нуклеофильное замещение в ароматических системах.........186
6.10.1.	Замещение атомов водорода...................  .	. . 186
6.10.2.	Замещение неводородных атомов......................188
6.10.3.	Замещение по ариновому механизму...................193
Ранее уже обсуждался вопрос о структуре бензола и, в частности, о его делокализованных л-орбиталях (см. разд. 1.3.6). Для бензола характерно расположение электронного облака над и под плоскостью кольца, образованного атомами углерода. Можно было бы ожидать, что это будет защищать кольцо атомов углерода от атаки нуклеофильными реагентами и, наоборот, облегчать атаку катионами Х+ или электронодефицитными, т. е. электрофильными, реагентами. Показано, что оба эти предположения действительно реализуются.
6.1.	Электрофильная атака бензола
6.1.1.	л- и а-Комплексы
Можно предположить, что на первой стадии реакции происходит взаимодействие между соответствующим электрофилом н делокализованными л-орбиталями. Действительно, показано,
145
что при этом образуются так называемые л-комплексы (1):
Так, метилбензол (толуол) при —78 °C образует с хлороводородом комплекс состава 1 : 1, причем реакция легко обратима. Тот факт, что не происходит образования связи между атомом углерода кольца и протоном из НС1, подтверждается при проведении этой реакции с DCL В этом случае также возникает л-Комплекс, но его образование и распад не приводят к обмену дейтерия на атом водорода кольца. Это означает, что связь С—D в комплексе не образуется. Ароматические углеводороды образуют л-комплексы также с галогенами и ионами Ag+; хорошо известны комплексы с пикриновой кислотой 2,4,6-(O2N)3C6H2OH, представляющие собой устойчивые окрашенные кристаллические соединения, температуры плавления которых можно использовать для характеристики углеводородов. Такие аддукты называют комплексами с переносом заряда. Было показано, что в комплексе, который бензол образует с бромом, молекула галогена ориентирована вдоль оси симметрии Сб перпендикулярно плоскости бензольного кольца.
В присутствии соединения, имеющего вакантную орбиталь, например кислоты Льюиса типа А1С13, образуется комплекс, отличающийся от описанного выше. Если в такой системе заменить НС1 на DC1, то атом водорода быстро обменивается на дейтерий. Такой обмен свидетельствует об образовании о-комплек-са * (2), который называют также интермедиатом Уиланда (см. разд. 2.2.2). В этом комплексе Н+ или D+ ковалентно связан с атомом углерода кольца. В этом карбокатионном интермедиате положительный заряд распределяется по остальным пяти атомам углерода с участием л-орбиталей, а атомы дейтерия и водорода находятся в плоскости, перпендикулярной плоскости кольца:
(2а)	(26)	(2в)	(2)
Тот факт, что л- и о-комплексы, образованные, например, метилбензолом и HCI, действительно отличаются друг от друга, подтверждается различием в их свойствах. Так, при образовании л-комплекса получающийся раствор не обладает электри-
* Такие частицы называют арениевыми, или аренониевыми, ионами; более общий термин — карбокатионные интермедиаты.
146
\ческой проводимостью, цвет раствора не изменяется; обнаруживаются лишь незначительные изменения в УФ-спектре, что свидетельствует об отсутствии существенных нарушений в распределении электронов в исходном метилбензоле. В присутствии же А1С13 раствор приобретает зеленую окраску, электрическую проводимость, а УФ-спектр исходного метилбензола резко изменяется, что указывает на образование о-комплекса типа (2), так как нет оснований считать, что хлорид алюминия образует комплексы типа Н+ AICI4.
Реакция может быть завершена путем удаления протона из о-комплекса (2) под действием А1СЦ с образованием продукта замещения (4). Если в реакции участвует НС1, происходит только обмен атомов водорода; если же применяют DC1, то атом водорода замещается в некоторой степени дейтерием, т. е. весь процесс в целом является электрофильным замещением. Теоретически возможен альтернативный путь завершения реакции, так как комплекс (2) может реагировать с AIC^, отнимая от него ион С1~. Этот путь привел бы к суммарной реакции электрофильного присоединения [(2) -> (3)], как в случае обычной двойной углерод-углеродной связи (см. разд. 7.1). Такое превращение вызвало бы, однако, снижение степени стабилизации молекулы бензола, обусловленное наличием делокализованных л-орбиталей, которые охватывают все шесть атомов углерода ароматического кольца, поскольку продукт присоединения уже не был бы ароматическим соединением. При отщеплении Н+, т. е. в ходе замещения, а не присоединения, полностью заполненные делокализованные л-орбитали вновь формируются в продукте (4) и может снова наблюдаться характерная для ароматических соединений стабильность.
(3)
присоединение
AICI7 ------—(2) (+СГ)
AICI-4
(4) замещение
Повышение стабилизации при переходе (2) -> (4) помогает обеспечить реакцию энергией, необходимой для разрыва прочной связи С—Н, что требутся при отщеплении Н+. Например, при взаимодействии НС1 с алкенами (см. разд. 7.3) отсутствует такой фактор, ускоряющий замещение, и поэтому, как правило, происходят реакции присоединения.
Можно было бы ожидать, что для превращения бензола в о-комплекс (2), приводящего к утрате ароматической стабилизации, необходимо значительное количество энергии, т. е. энергия
147
активации этого процесса должна быть достаточно высокой, а его скорость, следовательно, небольшой. В действительности же многие реакции электрофильного замещения в ароматических соединениях протекают очень быстро при комнатной температуре. Это обусловлено наличием двух факторов, снижающих энергетический барьер, препятствующий образованию комплекса (2). Первый состоит в возможности использования энергии, освобождающейся при полном образовании новой связи с атакующим электрофилом, а второй — в стабилизации положительно заряженного сг-комплекса, т. е. снижения его энергетического уровня в результате делокализации заряда [см. формулу (2)]. Однако нельзя считать, что электронная плотность в этом ионе распределена равномерно, как показано в формуле (2); то, что это не так, ясно при написании для этого иона канонических структур (2а), (26) и (2в) (см. выше).
Если допущение о том, что электрофильное замещение ароматических соединений проходит через стадию образования про-  межуточного сг-комплекса, правильно (об этом свидетельствует, в частности, выделение таких комплексов в ходе некоторых реакций замещения; см. разд. 6.2), то в таком случае следует принять, что реакции, которые мы обычно называем «ароматическим замещением», фактически представляют собой начальное присоединение с последующим отщеплением. Рассмотрим теперь, как эта основная теория подтверждается на примере типичных реакций электрофильного замещения бензола *.
6.2.	Нитрование
Реакция нитрования является одной из наиболее широко изученных реакций ароматического замещения. На примере этой реакции можно, вероятно, получить наиболее детальное представление о механизме замещения. Для препаративных целей нитрование чаще всего проводят смесью концентрированных азотной и серной кислот, так называемой нитрующей смесью. «Классическое» объяснение необходимости присутствия серной кислоты состоит в том, что она поглощает воду, образующуюся при нитровании
С6Н6 + HNO3 —> CeH5NO2 + H2O
* При ознакомлении со схемой механизма, предлагаемой П. Сайксом, полезно иметь в виду многочисленные доказательства одноэлектронного переноса, сопровождаемого образованием катион-радикальных состояний ароматического субстрата—см. работы: Fukuzumi S., Kochi J. К.Hi. Amer. Chem. Soc. 1981. v. 103. N 24, P. 7240—7252; Fukuzumi S„ Kochi J. К.ЦЗ. Org. Chem. 1981. v. 46. N 21. P 4116—4126; Минкин В. И., Миняев Р. М., Юаилевич И. А., Клецкий М. Е.//УК. орг. химии. 1985. Т. 21. № 5. С. 926— 939; Морковник А. С.//Успехи химии. 1988. № 2. С. 254—280. — Прим. ред.
148
и препятствует тем самым протеканию обратной реакции. Такое объяснение неудовлетворительно во многих отношениях. В частности, остается непонятным, почему образовавшийся нитробензол в условиях реакции не атакуется водой! Несомненно, что в отсутствие серной кислоты нитрование проходит медленно, хотя сама серная кислота практически не взаимодействует с бензолом в обычных условиях реакции нитрования. Таким образом, можно предположить, что серная кислота взаимодействует в этой системе с азотной кислотой, а не с бензолом. Это подтверждается тем фактом, что растворы азотной кислоты в чистой серной кислоте имеют почти четырехкратную молярную депрессию температуры замерзания (фактически i а? 3,82), что интерпретируется как образование следующих четырех ионов:
НО - N02 + H2SO4 H2f- N02+ HSO7
н2(Р- no2 + h2so4 ч=± н3о+ + hso; + +no2
HNO3 + 2H2SO4^± +no2 + H30+ + 2HSO;
Небольшое снижение значения i (С 4), возможно, обусловлено неполным протонированием Н2О в этих условиях.
Наличие +NO2 (ион нитрония) как в этом растворе, так и в составе ряда солей (некоторые из которых, например +NO2C1O4, были выделены) подтверждено спектроскопически: для каждой из этих солей наблюдается только одна линия в спектре К.Р при 1400 см-1, которая может быть приписана только частицам, являющимся одновременно линейными и трехатомными. Сама азотная кислота в концентрированной серной кислоте практически полностью превращается в +NO2, и почти не вызывает сомнений в том, что в этих условиях ион нитрония является эффективным электрофилом. Если функция серной кислоты заключается просто в создании сильнокислой среды, в которой облегчено образование +NO2 из НО—NO2, то можно было ожидать, что и другие сильные кислоты, например НСЮ4, также будут способствовать нитрованию. Это предположение подтвердилось: система HF + BF3 также является очень эффективным катализатором. Незначительная эффективность самой азотной кислоты в реакции нитрова-ния бензола объясняется низким содержанием иона +NO2. Этот ион в небольшом количестве образуется в ходе двухстадийного процесса, в котором азотная кислота сначала быстро превращается в свою сопряженную кислоту, а затем
149
более медленно — в +NO2:
..	быстро +
НО - NO2 + HNO3 —-~t Н2О - NO2 + NOJ медленно
Н2О- NO2 + HNO3 ...— > Н3О++ NO3 + +no2
Найдено, что скорость нитрования ароматических соединений, более реакционноспособных, чем бензол, часто не зависит от их концентрации. Это означает, что именно образование +NO2 является медленной, скоростьлимитирующей стадией всего процесса. То, что образовавшийся +NO2 является высокоэффективным нитрующим агентом, подтверждается быстрым нитрованием относительно нереакционноспособных ароматических молекул при применении +NO2 BF4 при комнатной или даже более низкой температуре.
Многие реакции нитрования, протекающие с участием нитрующей смеси, подчиняются «идеализированному» уравнению скорости:
Скорость = &[АгН] [+NO2].
Однако реальную кинетику не всегда легко описать или объяснить. Это обусловлено различными причинами. Например, растворимость самого бензола в нитрующей смеси достаточно низка, поэтому скорость нитрования должна определяться скоростью, с которой этот несмешивающийся углеводород растворяется в кислотном слое. При использовании нитрующей смеси концентрация +NO2 прямо связана с концентрацией добавленной HNO3, поскольку HNO3 быстро и полностью превращается в +NO2. Однако при нитровании в других растворителях могут возникать другие осложнения. Зависимость концентрации эффективного электрофила (а это почти всегда +NO2) от концентрации HNO3 или другого потенциального нитрующего агента может оказаться весьма не простой.
Приведенное выше общее идеализированное уравнение скорости согласуется, по.крайней мере, с тремя различными возможными механизмами нитрования: одноступенчатым согласованным механизмом I [уравнение (6.1)], включающим одно переходное состояние (5), в котором образование связи С—NO2 и расщепление связи С—Н происходят одновременно; или с двухступенчатыми механизмами Па и Пб [уравнение (6.2)], включающими интермедиат Уиланда (о-комплекс) (6), в которых медленной, скоростьлимитирующей стадией может быть либо стадия (а) — образование связи С—NO2 (механизм Па), либо
150
стадия
(6)—расщепление связи С—Н (механизм Пб):
Г 6+ 6+ “|*
(6.1)
• (5)
(6)
(6.2)
Разрыв связи С—Н должен произойти при протекании реакции по любому из этих трех механизмов, однако на медленной, скоростьлимитирующей стадии это происходит только в случае механизмов I (всего одна стадия) и Пб. Если разрыв этой связи действительно протекает на скоростьлимитирующей стадии, то при замене СбНб на C6D6 должен проявляться первичный кинетический изотопный эффект (см. разд. 2.3.3). Для сравнения были использованы реакции нитрования C6H5NO2 и CeD5NO2 (это не важно для доказательства). Было показано, что при 25 °C Ah/Ad ~ 1,00; это соответствует отсутствию первичного кинетического изотопного эффекта. Таким образом доказано, что связь С—Н не расщепляется на стадии, лимитирующей скорость всей реакции, следовательно, механизмы I и Пб могут быть исключены из рассмотрения. Это, конечно, не означает, что нитрование протекает по механизму Па (медленная, скорость-лимитирующая стадия образования связи С—NO2 сопровождается быстрой стадией разрыва связи С—Н), однако это единственный механизм (из всех рассмотренных выше), который согласуется с экспериментальными данными.
То обстоятельство, что расщепление достаточно сильной связи С—Н должно быть быстрым, кажется менее удивительным, если вспомнить, что отщепление катиона Н+ от интермедиата (6) способно восстановить высоко стабилизированное ароматическое состояние в образующемся нитробензоле. Отрыв протона происходит вследствие атаки основанием, например HSO< в нитрующей смеси, но иногда — молекулами растворителя. Вероятность образования таких частиц, как (6), в качестве интермедиатов достаточно высока, так как аналогичные частицы, например (8), выделены при нитровании трифторметилбензола (7)
151
под действием NO2F—BF3:
(7)	(8)
Комплекс (8) весьма устойчив при температуре ниже —50 °C, но при нагревании превращается в обычный продукт нитрования — соединение (7). Относительная устойчивость комплекса (8) отчасти обусловлена наличием аниона BF( в ионной паре (ср. разд. 5.1.1). Выделение этого комплекса не доказывает, что подобные интермедиаты обязательно образуются в реакциях нитрования с использованием нитрующей смеси, но в совокупности с кинетическими и другими данными участие таких частиц кажется чрезвычайно вероятным.
Скорости реакций замещения в ароматическом ряду лимитируются образованием переходного состояния (ПС1), непосредственно предшествующего образованию интермедиата (6) (рис. 6.1). Детальную информацию о таких частицах получить трудно; в качестве моделей используют интермедиаты, для которых переходные состояния являются непосредственными предшественниками, поскольку для них такая информация более доступна. Справедливость такого моделирования подтверждается принципом Хаммонда (см. примечание на с. 61). Несомненно, что интермедиат (6) в приведенной выше последовательности является лучшей моделью для ПСь чем исходное соединение. Известен и ряд других примеров аналогичного использования ст-комплексов в качестве моделей тех переходных состояний, которые нм предшествуют (см. разд. 6.7.1).
Было обнаружено, что высоко реакционноспособные ароматические соединения, например фенол, легко нитруются даже в разбавленной азотной кислоте, причем гораздо быстрее, чем
152
это можно было бы предположить, исходя из концентрации присутствующих в смеси ионов +NO2. Как было показано, это связано с наличием в системе азотистой кислоты, которая нитрози-рует реакционноспособное ароматическое кольцо ионом нитро-зония +NO (или другими частицами, способными осуществлять нитрозирование, см. разд. 5.5):
HNO2 + 2HNO3 ч=± нзО+ + 2NO3 + +NO
Нитрозофенол (10), который может быть выделен, очень быстро окисляется азотной кислотой, образуя п-нитрофенол (11) и азотистую кислоту; образование дополнительного количества азотистой кислоты приводит к ускорению процесса. Следует подчеркнуть, что азотистая кислота не должна обязательно содержаться в исходной азотной кислоте, так как небольшое количество ее образуется из азотной кислоты в ходе окисления фенола. Предполагают, что и в этом случае стадией, лимитирующей скорость всей реакции, является образование интермедиата (9). Одновременно происходит и прямое нитрование реакционноспособных ароматических соединений ионами +NO2, причем соотношение этих двух процессов зависит от условий проведения реакции.
Показано, что многие другие реакции ароматического электрофильного замещения также протекают по обсуждавшемуся выше общему механизму II, причем обычно по механизму 11а, хотя известен ряд реакций, протекающих по механизму Пб. Истинная природа электрофильной частицы, которая участвует в атаке ароматического ядра, еще не выяснена.
6.3.	Галогенирование
В отличие от нитрования, при галогенировании атака ароматического субстрата может осуществляться различными электрофилами. Свободные галогены, например С12 и Вг2, могут легко атаковать активированное ароматическое ядро (см. разд. 6.7), например, фенола, но ие способны реагировать с бензолом (фотохимическая активация может привести к присоединению, однако при участии свободных атомов галогенов; см. разд. 11.5.1.2). Для поляризации атакующей молекулы галогена
153
необходимы катализаторы типа кислот Льюиса, такие как А1С13, с помощью которых в молекуле галогена появляется так называемый «электрофильный конец»: энергия, требующаяся для образования катиона С1+, очень велика. Уравнение скорости такой реакции часто имеет вид:
Скорость = Л[АгН] [На12] [Кислота Льюиса].
Бензол, вероятно, образует л-комплекс (12), например, с Вг2 (ср, разд, 6.1.1), с которым затем взаимодействует кислота Льюиса. Катализатор, вероятно, поляризует связь Вг—Вг, способствуя образованию ст-связи между теперь уже электрофильным концом молекулы брома и атомом углерода кольца, а на Последующей стадии — удалению возникающего бромид-иона с образованием комплекса (13):
Анион FeBri в свою очередь помогает удалению протона из ст-комплекса (13). Классический катализатор галогенирования — железные опилки — начинает действовать, конечно, только после превращения в кислоту Льюиса FeX3.
Кинетические изотопные эффекты не наблюдались при хлорировании и очень редко наблюдались при бромировании, т. е. эти реакции обычно следуют по механизму Па, подобно реакции нитрования. При иодировании, которое происходит только при взаимодействии самого иода с активированными субстратами, наблюдается кинетический изотопный эффект. Возможно, это происходит потому, что реакция обратима (в отличие от других реакций галогенирования); иод отщепляется из ст-комплекса (14) легче, чем Н, т. е. й-i йг:
Например, отношение йн/йо, измеренное для иодирования фенола и 2,4,6'-тридейтериофенола, равно « 4, т. е. реакция идет по механизму Нб. Иодирование часто облегчается в при
154
сутствии оснований или окисляющих агентов, которые удаляют HI и таким образом сдвигают равновесие вправо. При действии окисляющих агентов из молекулы 12 образуется катион 1+ или комплекс, содержащий положительно поляризованный код, т. е. более эффективный электрофил. Галогенирование может осуществляться также при применении соединений типа 6+Вг—С1*~, 6+1—С16- и т. д. При этом атака проходит с помощью менее электроотрицательного галогена, поскольку он является «электрофильным концом» молекулы. Показано, в частности, что при использовании ВгС1 и IC1 осуществляются соответственно бромирование и иодирование.
Галогенирование можно проводить также с применением 6-	64-
КИСЛОТ типа НО—Hal. Реакция в этом случае идет гораздо медленнее, чем с молекулярным галогеном, поскольку НО- в НОНа! — худшая уходящая группа, чем Hal- в молекуле галогена. Реакция тем не менее ускоряется в присутствии Hal, так как НО—Hal превращается при этом в более ракционноспособ-ный На12, например:
-ОС1 + СГ + 2Н+ —► С12 + Н2О
Однако в присутствии сильной кислоты НО—Hal становится очень сильным галогенирующим агентом вследствие образования сильно поляризованного комплекса (15):
НО - На! + Н+--► Н2Од На1-*-*-Н2О + На1 +
(15)
Существуют доказательства, что комплекс (15) является эффективным электрофилом в данных условиях и не превращается в На1+, т. е. ведет себя иначе, чем комплекс ЩО+—NO2 (см. разд. 6.2); однако НОС1 + кислота может быть еще более эффективным хлорирующим агентом, чем С12 + AICI3. Молекула фтора энергично реагирует с бензолом, но при этом разрываются связи С—С, и поэтому реакция не имеет препаративного значения (ср. разд. 6.10.2).
6.4.	Сульфирование
Детали механизма сульфирования исследованы менее подробно по сравнению с нитрованием или галогенированием. Сам бензол сульфируется довольно медленно горячей концентриро; ванной серной кислотой, но быстро — олеумом (при этом скорость сульфирования зависит от содержания SO3) или SO3 в инертных растворителях. Природа электрофильной частицы зависит от условий реакции, ио, вероятно, это всегда SO3: или в свободном состоянии, или связанный с «носителем», например
155
в виде H2SO4-SO3 (H2S2O7) в серной кислоте. Небольшие количества SO3 образуются в H2SO4:
2h2so4 so3 + н3о+ + hso;
Атаку ароматического субстрата осуществляет атом серы, поскольку он сильно положительно поляризован, т. е. электронодефицитен:
б+э+^О®-*
Сульфирование, подобно иодированию, является обратимым процессом и, как полагают, в концентрированной серной кислоте происходит по схеме:
(16)	(17)
> быстро
SO3H
Считают, что в олеуме ст-комплекс (16) протонируется по группе SO3 до разрыва связи С—Н с образованием 8О3Н-ана-лога соединения (17). Подобно иодированию, при сульфировании наблюдается кинетический изотопный эффект, т. е. разрыв связи С—Н происходит на скоростьлимитирующей стадии реакции k-i k2.
Практическое значение имеет обратимость реакции сульфирования: при обработке сульфокислот водяным паром происходит замещение группы SO3H на водород. Таким образом, можно ввести группу SO3H как заместитель, ориентирующий требуемым образом последующие реакции (ср. разд. 6.7), а затем ее отщепить. Некоторые интересные особенности имеет сульфирование нафталина (см. разд. 6.9).
6.5.	Реакция Фриделя — Крафтса
Для удобства рассмотрим отдельно реакции алкилирования и ацилирования.
6.5.1.	Алкилирование б+ б“
Атом углерода алкилгалогенидов R—Hal является электрофильным, однако часто этого недостаточно для осуществления замещения в ароматическом субстрате; необходимо наличие катализатора в виде кислоты Льюиса, например А1С13. Тот факт, что алкилгалогениды реагируют с кислотами Льюиса, был до-
156
казан с помощью обмена радиоактивного брома между AlBrj и EtBr при их смешении и последующем разделении, а также выделением в твердом состоянии комплексов состава 1 : 1, например СН3Вг-А1Вг3 при низких температурах (—78°С). Если R в R— —Hal, например в Ме3С—Вг, способен образовать особенно устойчивый карбокатион, то, возможно, что в этом случае атакующим электрофилом в алкилировании выступает фактически карбокатион Ме3С+ в составе ионной пары:
А1Вг4
(18)
В других случаях кажется более вероятным, что атакующим электрофилом является поляризованный комплекс (19), причем степень поляризации зависит от природы R в R—Hal и от применяемой кислоты Льюиса:
б+	6-
R—Cl---FeCl3 (19)
(20)
Оба рассмотренных выше механизма согласуются с обычно наблюдаемым кинетическим уравнением:
Скорость = £[АгН] [RX] [МХ3]
Эффективность кислот Льюиса как катализаторов уменьшается в ряду:
А1С13 > FeCl3 > BF3> TiCI3 > ZnCI2> SnCI4
Существование интермедиатов Уиланда, таких как (18) и (20), в реакциях алкилирования по Фриделю — Крафтсу было установлено путем выделения некоторых из них, например (21), при низких температурах (стабилизирующий эффект BF4
157
в ионных парах рассмотрен в разд. 6.2):
(21)
Промежуточное соединение (21) представляет собой твердое кристаллическое вещество оранжевого цвета, которое плавится с разложением при —15 °C; из него образуется ожидаемый продукт алкилирования с практически количественным выходом (см. разд. 6.2).
В ходе некоторых реакций алкилирования по Фриделю — Крафтсу образуются продукты, которые содержат алкильную группу, претерпевшую перегруппировку. Например, при действии Ме3ССН2С1 + А1С1з на бензол образуется РЬСМе2СН2Ме. Этот результат можно объяснить, исходя из того, что первоначально образующийся электрофильный комплекс достаточно поляризован, чтобы произошла перегруппировка в более устойчивый комплекс (ср. относительную устойчивость карбокатионов; разд. 5.2):
в+	Л	.
[Ме3ССН2]—Cl—AlClg —> [Ме2ССН2Ме]—Cl-AlClg'
Наоборот, при действии Ме3ССН2С1 + FeCl3 на бензол в основном образуется неперегруппированный продукт PhCH2CMe3. По-видимому, в комплексе с более слабой кислотой Льюиса, FeCl3, поляризация алкилгалогенида недостаточна, чтобы произошла изомеризация. Показано также, что и температура влияет на количество продукта перегруппировки: при данных галогениде и кислоте Льюиса его образуется тем меньше, чем ниже температура.
Найдено, что во многих случаях соотношения получаемых продуктов не всегда соответствуют относительной устойчивости образующихся карбокатионов (перегруппированного и непере-группированного). Это следует из того факта, что относительные скорости реакции этих карбокатионов с ароматическими субстратами не соответствуют их относительным устойчивостям, а могут быть даже диаметрально противоположными им. Атака ароматической молекулы образовавшимся поляризованным комплексом может проходить быстрее, чем его перегруппировка. Исследование этих перегруппировок осложняется тем фактом, что кислоты Льюиса способны катализировать перегруппировки как исходных галогенидов, так и конечных продуктов реакции
158
алкилирования:
СН2СНМе2 А1с,з
^х^СНСН2Ме
(Oj Me
Кроме алкилгалогенидов для алкилирования ароматических соединений могут быть использованы алкены и спирты. При этом необходимо присутствие протонной кислоты, чтобы протонировать алкен или спирт. В этих реакциях в качестве катализатора типа кислоты Льюиса часто используют BF3:
н+ +	с,ня
МеСН = СН2^г=>МеСНСН3—Me2CHPh
Il	BF3
II -нго и+
МеСНСН3^=>:МеСНСН,
I	I 5
:он +он2
Катализаторы типа кислот Льюиса могут осуществлять также деалкилирование, т. е. реакция алкилирования обратима. Например, этилбензол (22) в присутствии BF3 и HF претерпевает диспропорционирование:
Et	Et Et
(22)	(45%)	(10%)	(45%)
Эта реакция должна быть, безусловно, межмолекулярной, однако перегруппировки, приводящие к изменению относительных положений заместителей в бензольном кольце, также хорошо изучены, и они являются внутримолекулярными. Например, нагревание n-диметилбензола (п-ксилол) (23) с А1С13 и НС1 ведет к превращению большей части этого соединения в более стабильный (см. разд. 6.8) м-диметилбензол (м-ксилол) (25). Полагают, что указанное превращение включает. миграцию метильной группы в первоначально протонированной частице (24):
Me Me Me	Me
(23)	(24)	(25)
159
Помимо возможности перегруппировки основным недостатком при препаративном использовании реакции алкилирования по Фриделю — Крафтсу является полиалкилирование (ср. разд. 6.7.1.2). Наличие электроноакцепторных заместителей обычно ингибирует алкилирование по Фриделю— Крафтсу. Так, нитробензол часто используют как растворитель для этой реакции, поскольку А1С13 легко растворяется в нем, и таким образом удается избежать гетерогенности процесса.
6.5.2.	Ацилирование
Ацилирование по Фриделю—Крафтсу в тех случаях, когда кинетика может быть легко прослежена, часто подчиняется тому же общему кинетическому закону, что и алкилирование:
Скорость = k[АгН] [RCOC1] [А1С13]
И в этом случае появляется сходная общая дилемма: выступает ли в качестве эффективного электрофила ацилкатион в составе ионной пары (26) или же поляризованный комплекс (27):
+	6+-	5-
RC=Q AICI4	RC—O-AICI3
Cl (26)	(27)
Ацилкатионы были обнаружены в ряде твердых комплексов, в жидком комплексе МеСОС! и А1С13 (с помощью ИК-спектро-скопии), в полярных растворителях и в ряде случаев, в которых R являлась очень объемистой группой. В менее полярных растворителях и в ряде других случаев ацилкатионы не обнаруживаются, однако при этом должен существовать поляризованный комплекс, который действует как электрофил.
Показано, что в зависимости от условий электрофилом является ацилкатион или комплекс (27). Так, при бензоилировании толуола получают одну н ту же смесь продуктов (1 % м-, 9 % о- и 90 % п-), независимо от того, какая кислота Льюиса является . катализатором, и проводилось ли бензоилирование бензоилхлоридом или бензоилбромидом, хотя скорости реакций оказываются, конечно, разными. По-видимому, во всех случаях атакующей частицей является +COPh. Однако во многих случаях количество образующегося орто-продукта очень мало по сравнению с его количеством в других реакциях электрофильного замещения, например в реакции нитрования. Это свидетельствует о том, что электрофильная частица очень громоздка; это, по-видимому, больше соответствует комплексу (27), чем иону +COR. Ясно, что в любом случае природа электрофила очень сильно зависит от условий.
160
Реакцию ацилирования можно представить следующей схемой:
Важное отличие реакции ацилирования от реакции алкилирования состоит в том, что в первой из этих реакций требуется более 1 моль кислоты Льюиса, тогда как во второй необходимо только каталитическое количество. Это обусловлено тем, что кислота Льюиса образует комплекс (29) с кетоном (28) — продуктом ацилирования — и тем самым устраняется от дальнейшего участия в реакции.
6+	6-
С-О—А1С13 I
R
(29)
Полиацилирования не наблюдается (ср. алкилирование; разд. 6.5.1), поскольку образующийся кетон гораздо менее реакционноспособен, чем исходное соединение (ср. разд. 6.7.1.1). Перегруппировки R не происходит, однако возможно декарбонилирование, особенно, если при этом образуется устойчивый карбокатион; конечным результатом оказывается в этом случае алкилирование, а не ожидаемое ацилирование:
+	С6нв
Ме3С—С=О —Ме3С ----------► Me3CPh
Формилирование может быть проведено с использованием СО, НС1 и А1С1з (реакция Гаттермана — Коха). Сомнительно, чтобы в этой реакции предварительно образовался НСОС1; наиболее вероятным электрофилом является ацилкатион +СН=О (т. е. протонированный СО) в составе ионной пары О=СН+ AlCl^-
6 П. Сайкс
161
В этой реакции фактически устанавливается равновесие, неблагоприятное для образования продукта, однако оно смещается вправо в результате образования комплекса альдегида (30) с кислотой Льюиса (катализатор).
Ацилирование может осуществляться также ангидридами кислот (RCO)2O и кислотами Льюиса (эффективным электрофилом может быть +COR или, в некоторых случаях, RCOC1, который образуется при действии А1С13 на исходный ангидрид), а также самими кислотами. В последнем случае ацилирование ускоряется сильными кислотами, например H2SO4, HF, гтак же, как и кислотами Льюиса, и может идти через образование ацил-катионов путем протонирования:
О	О
II ..	|| +	+ ,
RC - ОН + H2SO4 RC - OH25=±RC = О + Н2О
Это реализуется, в частности, в реакциях циклизации:
Поскольку полиацилирование не наблюдается (см. выше), часто алкилбензолы предпочитают получать путем ацилирования с последующим восстановлением по Клемменсену или другим методом, а не путем прямого алкилирования:
6.6.	Азосочетание
Еще одним классическим примером электрофильного замещения в ароматических соединениях является реакция азосочетания, в которой эффективным электрофилом является катион диазония (ср. разд. 5.5):
4-	4-
PhN=N ч->- PhN=N
Однако этот катион — более слабый электрофил, чем, например, +NO2, и способен атаковать только очень реакционноспособные ароматические соединения, такие как фенолы и амины,
162
ие реагируя в то же время с анизолом PhOMe, достаточно реакционноспособным в других электрофильных реакциях. Введение электроноакцепторных групп в орто- или пара-положения диа-зониевого катиона усиливает его электрофильный характер, увеличивая положительный заряд на диазогруппе:
Так, катион 2,4-динитрофенилдиазония способен сочетаться с PhOMe, а 2,4,6-тринитрофенилдиазоний-катион— даже с углеводородом— 2,4,6-триметилбензолом (мезитилен). Катионы диазония существуют в кислой и слабощелочной средах (в силь-иощелочной среде они превращаются в диазогидраты PhN = = NOH, а затем в диазотат-анионы, PhN = NO_), поэтому реакции азосочетания проводят только в указанных условиях. Оптимальное значение pH зависит от свойств атакуемого соединения. В случае фенолов реакцию проводят в слабощелочной среде, так как именно PhO-, а не PhOH подвергается атаке электрофилом АгИг! скорость реакции подчиняется уравнению:
Скорость = &[АгГ<2 ] [PhO-].
Сочетание с феноксид-иоиом может протекать либо по атому кислорода, либо по атому углерода. В соответствии с относительной электронной плотностью можно было бы- ожидать предпочтительности реакции по атому кислорода, однако важную роль играет также прочность образующейся связи. Так, при реакции с фенолами, как и в других электрофильных реакциях фенолов, образуется лишь С-замещенный продукт (32):
Удалению протона из промежуточного соединения (31) (обычно ие на скоростьопределяющей стадии) способствует присутствующее в растворе основание. Сочетание обычно происходит в основном в пара-положение, а не в орго-положеиие (ср. разд. 6.7.1.3), при условии, что оно доступно, из-за значительного объема атакующего электрофила ArNa (ср. разд. 6.7.3).
Ароматические амины обычно реагируют несколько труднее, чем фенолы, и сочетание часто проводят в слабокислой среде, что обеспечивает высокую концентрацию катиона PhNj без
6*
163
заметного превращения амина ArNH2 в нереакционноспособный протонированный катион ArNHa' (ароматические амины представляют собой очень слабые основания, ср. разд. 3.2.3). Диазотирование первичных ароматических аминов проводят в сильно-кнслой среде, так как при этом еще непрореагировавший амин превращается в катион н таким образом предохраняется от сочетания с образующейся солью диазония.
В случае ароматических аминов возможна атака либо по атому азота, либо по атому углерода; в отличие от фенолов, атака первичных н вторичных аминов происходит в основном по ато1Лу азота, что приводит к диазоаминосоединениям (33):
HN—N=NAr
(33)
Для большинства первичных аминов такой продукт является фактически единственным; для вторичных аминов (т. е. А-ал-киланилинов) сочетание может идти также и по атому углерода бензольного ядра; в случае третичных аминов (т. е. А,А-диал-киланилинов) образуется только продукт сочетания по атому углерода — соединение (35):
Показано, что реакция сочетания подчиняется кинетическому уравнению:
Скорость = AfArNj] [PhNR2]-
В некоторых случаях она катализируется основаниями и сопровождается кинетическим изотопным эффектом, т. е. k_\
k2; расщепление связи С—Н в промежуточном соединении (35) происходит на скоростьлимитирующей стадии.
Интересным примером внутримолекулярной реакции сочетания является реакция, протекающая при диазотировании о-ди-аминобензола (36); при этом образуется бензотриазол (37)
164
с выходом 75 %:
о
(36)
NaNO2 HCI *
---►
-H+
(37)
Различие в местах преимущественной атаки первичных и вторичных ароматических аминов (по сравнению с фенолами) объясняется, по-видимому, различиями в относительной электронной плотности соответствующих участков молекулы. В отличие от ряда других реакций электрофильного замещения ароматических соединений, реакция азосочетания чувствительна к относительно небольшим различиям в электронной плотности (что отражает довольно низкую реакционную способность катиона PhNj как электрофила). Аналогичные различия в электронной плотности, естественно, имеют место и для фенолов, но для этих соединений, как уже отмечалось, выбор места атаки в большей мере зависит .от относительной прочности образующихся связей; в случае аминов это различие для двух альтернативных продуктов сочетания выражено в гораздо большей степени.
Образование диазоаминосоедииений при сочетании ArN£ с первичными аминами не препятствует получению препаративных количеств продуктов сочетания по бензольному кольцу, поскольку диазоамииосоедииения при нагревании в кислой среде могут перегруппировываться в аминоазосоединения (39):
Показано, что перегруппировка в этих условиях является межмолекулярным процессом, т. е. катион диазония освобождается в ходе реакции, после чего он может атаковать фенолы, ароматические амины и другие подходящие соединения, добавленные в раствор. Оказалось, что перегруппировка легче всего идет в присутствии кислотного катализатора при избытке амина, который первоначально подвергается сочетанию с образованием диазоамииосоедииения (33). Возможно, что этот амин непосредственно атакует протонированное диазоаминосоедине-
165
нне (38), вытесняя PhNH2, а затем теряет протон:
+NH3Ph
н2Й‘-Чк X N = NAr ———->H,N=C7' V"Н	—(39)
*	-PhNH2 2C\=/SN=NAr -н
(38)
В заключение следует упомянуть, что, хотя подавляющее большинство реакций электрофильного замещения ароматических соединений связано с замещением водорода, могут также замещаться другие атомы или группы. Так, мы уже рассматривали замещение SO3H в обратимой реакции сульфирования (см. разд. 6.4), замещение алкила при деалкилировании (см. разд. 6.5.1) и, наконец, менее распространенное замещение группы SiR3 в реакции протодесилилирования (ср. разд. 6.7.4):
ArSiR3 + H+ ► Ar—H + +SiR3
Для реакций такого типа характерны все особенности ароматического электрофильного замещения (влияние заместителей и т. д.; см. ниже), но они имеют гораздо меньшее препаративное значение, чем реакции, которые уже были рассмотрены выше.
Следует отметить, что известны также реакции гомолитического замещения ароматических соединений, т. е. реакции, протекающие с участием радикалов (см. разд. 11.5.2.3), а также реакции, включающие атаку нуклеофилами (см. разд. 6.10).
6.7.	Электрофильная атака монозамещенных бензолов
Когда монозамещенные бензолы C6H5Y подвергаются дальнейшему электрофильному замещению, например нитрованию, то новый заместитель может вступать в орто-, мета- или параположение, а суммарная скорость замещения может быть больше или меньше скорости замещения самого бензола. Экспериментально установлено, что при наличии заместителя в кольце замещение проходит так, что в основном образуется либо мета-изомер, либо смесь орто- и пара-изомеров. В первом случае суммарная скорость реакции всегда меньше, чем скорость реакции с самим бензолом, а во втором — суммарная скорость обычно больше, чем скорость реакции с бензолом. Основное влияние, как было показано, оказывает уже находящийся в кольце заместитель Y. Влияние заместителя можно объяснить, исходя из его электронных эффектов. Этот заместитель может, конечно, обнаруживать и стерический эффект, но действие этого фактора ограничено по существу атакой в орто-положение (см. разд. 6.7.3).
Заместители Y, таким образом, подразделяют на мета- или орто-пара-ориентирующие; если они ускоряют суммарную реак
166
цию по сравнению с незамещенным бензолом, то их называют активирующими, если замедляют — дезактивирующими. Надо подчеркнуть, что эти ориентирующие эффекты являются скорее относительными, чем абсолютными: в любой реакции замещения почти всегда образуются некоторые количества всех трех изомеров, хотя количество .мета-замещенного продукта при наличии орто-пара-ориентирующего заместителя или орто- и пара-замещенных продуктов при наличии мета-ориентирующего заместителя Y может быть очень невелико. Например, йзвестно, что при нитровании нитробензола (Y = NO2) образуемся смесь 93 % М-, 6 % °- и 1 % n-изомеров, т. е. NO2 относится к метаориентирующим (дезактивирующим) заместителям. Наоборот, нитрование метоксибензола (анизол; Y = ОМ.е) дает 56 % п-, 43 % о- и 1 % м-изомеров, т. е. ОМ.е является орто-пара-ориен-тирующим (активирующим) заместителем:
6.7.1.	Электронные эффекты заместителей
Ниже рассмотрены такие эффекты заместителя Y, которые определяют скорость атаки в орто-, пара- и мета-положения по отношению к этому заместителю. При этом мы будем предполагать, что соотношения образующихся изомеров полностью определяются их относительными скоростями образования, т. е. соответствующие реакции имеют кинетический контроль (см. разд. 6.8) *. Строго говоря, следует сравнить влияние заместителя Y на различные переходные состояния, соответствующие различным направлениям атаки, что обычно невозможно. Вместо этого используют интермедиаты Уиланда в качестве моделей переходных состояний, которые непосредственно им предшествуют на скоростьлимитирующей стадии реакции, точно так же,
* Схема механизма электрофильного ароматического замещения, включающая стадию одноэлектронного переноса, и концепция граничных орбита-лей Фукуи предусматривают, что изомерный состав продуктов, образующихся в соответствующих реакциях, определяется состоянием ВЗМО ароматического субстрата (см. обсуждение этого вопроса в кн.: Травень В. Ф. Электронная структура и свойства органических молекул. М.: Химия, 1989. См. разд. 3.1, 6.3.5, 11.4 и гл. 10). — Прим. ред.
Ж
как это было сделано при обсуждении отдельных реакций электрофильного замещения (ср. разд. 6.2). Обсудим несколько различных типов заместителей Y.
6.7.1.1.	Y = +NR3, СС13, NOz, СНО, СОгН и др.
Для всех перечисленных групп, а также таких групп, как SO3H, CN, COR и др., характерно наличие положительно заряженного (положительно поляризованного) атома, смежного с атомом углерода бензольного кольца:
PhNR3
С1б 6+++/ t PhC—С1°~ ^Cl6-
Таким образом, все эти группы являются электроноакцепторными по отношению к бензольному кольцу, т. е. ароматическая частица, содержащая любую из этих групп, представляет собой диполь, положительный конец которого локализован на бензольном кольце. При Y=+NR3 о-комплексы, образующиеся при атаке электрофилом Е+ (например, +NO2), орто-, мета- и лара-положений по отношению к исходному заместителю, имеют вид:
Заместитель +NR3 будет проявлять суммарный сильный электроноакцепторный, т. е. дестабилизирующий, индуктивный (по-
168
лярный) эффект в каждом из трех положительно заряженных о-комплексов (40), (41) и (42) в отличие от о-комплекса, образующегося при аналогичной атаке бензола (ср. разд. 6.1.1). Так, при бромировании CeHaNRs атака любого положения бензольного кольца происходит' с меньшей скоростью, чем в .случае бензола; при Y — Me3N+~ ^(C6H5Y)[k(С6Н6) — 1,6-IO-5.
Группа +NR3 избирательно дестабилизирует структуру (40в) о-комплекса, образующегося» в случае о-атаки, и структуру (426), образующуюся в случае n-атаки, потому что в каждой из этих структур положительные заряды находятся на соседних атомах. Положительный заряд кольца будет, таким образом, делокализован в меньшей мере в комплексах (40) и (42), чем в комплексе (41). Переходное состояние, для которого в качестве модели взят комплекс (41), должно, следовательно, находиться на более низком энергетическом уровне, чем те переходные состояния, для которых моделями служат комплексы (40) и (42); свободная энергия активации AG* для комплекса (41) будет ниже, он образуется быстрее, что и ведет к преобладанию м-изомера среди продуктов реакции.
Показано, что в том случае, когда в заместителе на атоме, связанном с бензольным ядром, действительно имеется положительный заряд (например, когда Y =+NR3, а не NO2), влияние заместителя в о-комплексе; на бензольное кольцо проявляется через эффект поля (ср. разд. 1.5.1), действующий через пространство, помимо полярного (индуктивного) эффекта, действующего через связи. Дезактивирующее влияние заместителя Y на ядро уменьшается; общая скорость замещения увеличивается в ряду:
+NR3<NO2<CN <SO3H <С = О <СО2Н ,
Этот ряд, однако, является условным, поскольку он изменяется при переходе от одного процесса замещения к другому и зависит в определенной степени от природы атакующего электрофила. Неудивительно, что дезактивирующее влияние таких заместителей, как +NR3, особенно сильно проявляется в реакциях замещения, в которых атакующий электрофил положительно заряжен, например +NO2; для реакции нитрования при Y ~ +NMe3 £(C6H5Y)/£(C6H6) = 1,5-10~8.
6.7.1.2.	Y = Aik, Ph
Алкильные группы являются электронодонорными по сравнению с атомом водорода и могут избирательно стабилизировать те канонические состояния для о- и n-атаки соответственно, в которых положительный заряд локализован на соседнем атоме
169
углерода бензольного ядра, — (43) н (446) [ср. структуры (40в) н (426), которые избирательно дестабилизированы]:
(43)	(44)
Указанные факторы не действуют в комплексе, образующемся в случае м-атаки [ср. (41а)—(41в)], вследствие чего замещение в основном идет в орто- и пара-положения. Вследствие суммарного электронодонорного индуктивного (полярного) эффекта атака любого положения алкилбензола протекает быстрее, чем в самом бензоле [ (Л(СбН5Ме)Д(СбНб) = 3,4 • 102 в случае хлорирования].
Можно, таким образом, предполагать, что С6Н5СМе3 будет атаковываться быстрее, чем СеН5СНз, вследствие большего электронодонорного индуктивного эффекта группы Ме3С. Именно это и наблюдается при нитровании. Однако этот порядок становится обратным при хлорировании: эта менее полярная реакция контролируется подачей электронов по механизму гиперконъюгации, которая гораздо более эффективна в С6Н5СН3 [(45а) -«->-(456)], чем в С6Н5СМе3 [(46)]. Кроме того, имеют значение и относительные размеры этих алкильных групп (ср. разд. 6.7.3).
(45а)	(456)	(46)
Специфическая стабилизация канонических форм о-комплек-сов, образующихся при атаке орто- н пара-положений, осуществляется в случае фенильной группы, например, для структур (47а) и (476):
(47а)	(476)
Показано, что суммарная скорость атаки для бифенила выше, чем для бензола [&(СбН5¥)/£(СбНб) =4,2-102 (для хлорирования)].
170
6.7.1.3.	Y = OCOR, NHCOR, OR, OH, NH2, NR2
Для каждой из этих групп характерно, что атом, связанный с бензольным ядром, может проявлять электроноакцепторный (индуктивный, полярный) эффект (ср., например, N в NO2),.однако этот атом имеет также свободную электронную пару (например, :ОМе), которая может содействовать специфической стабилизации о-комплексов, образующихся при о- и п-атаке [ (48в)	(48г) и (49в)	(49г) соответственно], но не при
jH-атаке.[(50а)	(50в)]:
о-атака:
(48а)	(486)	(48в)
м-атака:
(50а)	(506)	(50в)
Эта стабилизация примечательна не только тем, что в ней участвует еще одно (четвертое) каноническое состояние о-ком-плексов, образующееся при о- и n-атаках [(48г) и (49г) соответственно]. В этих структурах положительный заряд локализован на атоме кислорода, и они более устойчивы, чем три другие формы, в которых положительный заряд находится на атоме углерода [ср. (48а)-<—► (48в) и (49а)-<—► (49в) ]. Этот эффект намного превосходит индуктивный эффект, также действующий в этих двух о-комплексах. В результате замещение почти полностью идет в орто- и пара-положения (при нитровании PhOMe, образуется <С 1 % At-изомера) и гораздо быстрее, чем замещение в самом бензоле [А(С6Н5ОМе)/£(С6Н6) = 9,7-106 (для хлорирования)].
171
Действие электроноакцепторного индуктивного эффекта проявляется, однако, в том, что атака в мета-положение (для которой нет специфической стабилизации a-комплекса посредством делокализации) осуществляется медленнее, чем атака самого бензола (ср. разд. 6.7.2). В случае феноксид-иоиа (51) индуктивный эффект проявляется в обратном направлении; так как отрицательный заряд находится на атоме кислорода, феноксидион более реакционноспособен, чем фенол. Даже мета-положение в этом' случае атакуется легче, чем сам бензол (однако продукт лета-замещения образуется в небольших количествах или не образуется вообще). Многие реакции электрофильного замещения проходят в кислой среде, так что феноксид-ион не может в них участвовать; однако реакцию азосочетания (см. разд. 6.6) проводят с фенолами в слабощелочной среде (ср. разд. 6.6).
(51)
Активирующее влияние заместителя Y на бензольное кольцо возрастает (при этом общая скорость замещения увеличивается) в ряду:
OCOR<NHCOR<OR<OH <NH2<NR2
Группа NR2 является более сильной активирующей группой, чем NH2( из-за электронодонорного эффекта групп R. Не следует забывать, что в кислой среде, например при нитровании, обе эти группы превращаются в +NHR2 и +NH3 соответственно. В этом случае бензольное ядро будет дезактивироваться, и замещение будет происходить преимущественно в мета-положеиие (ср. +NR3; разд. 6.7.1.1). Группа ОН также является достаточно сильно активирующей, так что фенол бромируется мгновенно бромной водой при комнатной температуре с образованием 2,4,6-трибромпроизводного (атакуются пара- и оба орто-положения). Группы OCOR и NHCOR менее сильно активируют ядро, чем ОН и NH2, соответственно из-за снижения доступности электронов на атомах О и N вследствие делокализации заряда с участием электроноакцепторной карбонильной группы:
О	О’	О	О’
—О—С—R	— 6=С—R	—HN—С—R <-> — HN=C—R
Группа NHCOR не протонируется в кислой среде, поэтому нитрование анилина с целью получения о- и n-производных можно проводить, применяя СОМе в качестве защитной группы с последующим ее удалением.
172
6.7.1.4.	Y == Cl, Br, I
У галогенбензолов атом, связанный с бензольным ядром, также имеет свободную электронную пару; поэтому и в этом случае происходит специфическая стабилизация о-комплексов, образующихся при о- ил-атаках [ (51 а)(51 б) и (52а) -<-► (526) соответственно]:
(51а)	(516)
(52а)	(526)
Таким образом, галогены также являются орто-пара-ориен~ тантами. Электроноакцепторные индуктивные эффекты галогенов, однако, таковы, что атака галогенбензолов проходит медленнее, чем самого бензола: атомы галогенов являются дезактивирующими заместителями [£(СбН5С1)/£(С6Нб) = 3-10~2 (для нитрования)]. Это суммарное электроноакцепторное действие галогенов видно при сравнении дипольных моментов хлорбензола (53) в основном состоянии, у которого положительный конец находится на ядре, и анизола (54), дипольный момент которого имеет противоположное направление:
|1 = 1,2Д
ц = 1,6Д	(53)
Суммарный эффект любого заместителя, конечно, обусловлен вкладами индуктивного эффекта, эффекта поля и мезомер-ного эффекта. В случае группы ОМе (см. разд. 6.7.1.3) суммарный эффект таков, что стабилизация положительно заряженных интермедиатов (48) и (49), образующихся при о- и л-атаке соответственно, гораздо больше, чем стабилизация соответствующего интермедиата (2) (см. разд. 6.1.1), образующегося при атаке самого бензола; о- и л-атака CeHsOMe поэтому проходит гораздо быстрее, чем атака СвНв- В случае галогенов как заместителей (например, С1) суммарный эффект вследствие сильных электроноакцепторного эффекта и эффекта поля таков, что стабилизация интермедиатов (51) и (52), образующихся при о- и л-атаке соответственно, несколько меньше, чем стабилизация интермедиата, образующегося при атаке самого бензола; в результате о- и л-атака проходит немного медленнее, чем атака СвНв.
173
Очень сходная ситуация наблюдается при электрофильном присоединении несимметричных частиц (например, НВг) к ви-нилгалогенидам (например, СН2=СНВг); в этом случае индуктивный эффект галогена контролирует скорость присоединения, а относительная мезомерная стабилизация промежуточного карбокатиона— ориентацию присоединения (см. разд. 7.3).
6.7.2.	Факторы парциальных скоростей и селективность
Более совершенные кинетические методы и возможность очень точного определения относительных количеств образующихся о-, м- и n-изомеров, например с помощью спектроскопических методов, а не путем их выделения, как это делали в прошлом, обеспечивают более строгий подход к вопросу о соотношении изомеров в реакциях ароматического замещения. Ценную информацию получают, определяя факторы парциальных скоростей, т. е. отношение скоростей атаки одного положения, например пара-положения, в C6H5Y к скорости атаки одного положения бензола (в данном случае fn).
Факторы парциальных скоростей могут быть определены с помощью кинетического измерения общих констант скоростей Л(С6Н5У) и А(С6Н6) в аналогичных условиях [или в эксперименте с конкурирующими реакциями, в котором эквимольные количества C6H5Y и С6Н6 конкурируют в реакциях с электрофилом, что отражается на отношении £(СбН5У)/£(С6Нб)], и на основе анализа относительных количеств о-, м- и п-продуктов, образующихся из C6H5Y (распределение изомеров-, обычно количество данного изомера дается в процентах от общего количества полученных продуктов замещения). С учетом того, что в молекуле СбН6 находится шесть положений, доступных для атаки, а в молекуле CeHsY — два орто-положения и одно пара-положение имеем:
ko feCeH5Y/2 выход о-изомера(%)
°	feCeHe/6	100
(2 орто-положения; 6 Н-положеннй)
kM fec6HSY/2 выход л-изомера (%) f м==	too
(2 лета-положения; 6 Н-положений)
kn fec6H5Y/i выход п-нзомера (%)
п kH feC#He/6	100
(1 пара-положение; 6 Н-положеннй)
Найдено, например, что для реакции нитрования толуола азотной кислотой в уксусном ангидриде при 0°С A(C6HsMe)/
174
/fe(C6H6)=27, распределение изомеров: 61,5 (о-), 1,5 (л-), 37,0 % (п-)- Рассчитанные на основе этих данных значения факторов парциальных скоростей приведены ниже:
(хлорирование)
Ме
2400
(бромирование)
Сравнение факторов парциальных скоростей для реакций нитрования, хлорирования и бромирования толуола показывает, что они различны в зависимости от атакующего электрофила. Другими словами, относительные ориентирующие эффекты в C6H5Y зависят как от Y, так и от Е+. Выше было отмечено, что абсолютные значения факторов парциальных скоростей, т. е. ky/kw, увеличиваются в ряду: нитрование < хлорирование < < бромирование, т. е. по мере уменьшения реакционной способности атакующего электрофила. Этот кажущийся парадокс оказывается при некотором размышлении вполне понятным: если бы Е+ был достаточно реакционноспособным, то каждое столкновение вело бы к замещению, атакующий реагент был бы в этом случае совершенно неселективным, а каждый фактор парциальной скорости был бы равен единице. Однако при уменьшении реакционной способности Е+ не каждое столкновение приводит к реакции, которая все больше зависит от относительной способности орто-, мета- и пара-положений в C6HsY и положений в С6Н6 поставлять электронную пару для образования связи с Е+. Атакующий реагент действует все более избирательно, его селективность возрастает, а абсолютные значения факторов парциальных скоростей увеличиваются, как и относительные различия между ними; именно это и отражается в цифрах, приведенных выше. Относительную избирательность лучше всего оценивать при сравнении только факторов fn и fM поскольку фактор fo зависит от стерических эффектов (размер Y и относительный размер атакующего реагента; ср. разд. 6.7.3), а не только от электронных эффектов, которые влияют на все три положения.
Использование факторов парциальных скоростей позволяет провести более точный анализ ориентирующих эффектов, чем это можно было сделать до сих пор. Тот факт, что факторы парциальных скоростей для толуола > 1, указывает на то, что СНз-группа (см. разд. 6.7.1.2) активирует все положения ядра по сравнению с бензолом. То же справедливо и для группы СМе3, но в этом случае для реакции нитрования С6НбСМез
175
fin = 3,0, тогда как для толуола он равен 1,3, т. е. группа СМе3 проявляет больший электронодонорный индуктивный (полярный) эффект, чем СН3-группа. Наоборот, в бифениле (Y = = С6Н5) (см. разд. 6.7.1.2) для хлорирования fM = 0,7, т. е. атака лета-положения идет медленнее, чем в бензоле [котя Л(С6Н5¥)/А(СвН6) = 4,2-102], поскольку $р2-гибридизованный атом углерода, с помощью которого СбН5-заместитель связывается с бензольным кольцом, проявляет электроноакцепторный индуктивный (полярный) эффект [см. формулу (55)].
Ph	:OPh
(55)	(56)
Сходный эффект наблюдается также и в случае орто-пара-ориентирующих, активирующих заместителей, когда в исследуемой реакции образуется достаточное для определения количество продукта лета-замещения, например при дейтерировании (дейтериевый обмен) C6H5OPh (56) под действием сильной кислоты CF3CO2D. Очень высокие значения факторов f0 и fn отражают способность электронной пары на атоме кислорода избирательно стабилизировать переходные состояния, образующиеся при о- и га-атаке (ср. разд. 6.7.1.3), в то время как значение fM < 1 отражает дестабилизацию (по сравнению с атакой бензола) переходного состояния в случае л-атаки вследствие электроноакцепторного индуктивного (полярного) эффекта атома кислорода.
Факторы парциальных скоростей, а следовательно, и распределение изомеров в каждой реакции замещения также зависят от температуры. Увеличение температуры оказывает наибольший относительный эффект на реакцию замещения, имеющую максимальное значение AG+ (из трех возможных альтернативных атак C6H5Y), т. е. на самую медленную реакцию. Влияние увеличения температуры направлено, таким образом, подобно эффекту увеличения реакционной способности Е+, на «выравнивание» различий между факторами парциальных скоростей и на то, чтобы сместить распределение изомеров в продукте несколько ближе к статистическому.
6.7.3.	Соотношение орто- и пара-изомеров
После всего, что мы рассмотрели до сих пор, вряд ли покажется удивительным то обстоятельство, что отношение количеств орто- и тгара-изомеров, получаемых при замещении C6HSY,
176
В. котором Y является орто-пара-ориентантом, редко (если бывает вообще) равно статистическому отношению 2:1. Показано, чтр существует очень близкое соответствие между расчетными данными и данными ЯМР-спектроскопии относительно распределения положительного заряда (п- > о- Л-) на различных атомах циклогексадиенил-катиона (57), который представляет собой интермедиат Уиланда в реакции обмена протона в бензоле (ср. разд. 6.1.1):
(57)	(57а)	(576)
Электронодонорный заместитель Y должен облегчать атаку Н+ в пара-положение (57a; R = Н) больше, чем в орто-положение (576; R =Н) по отношению к заместителю Y, потому что в результате достигается несколько более эффективная делокализация положительного заряда. Цифры, приведенные в формуле (57), соответствуют ожидаемым отношениям логарифмов факторов парциальных скоростей, 1g fo/lg fn ~ 0,87; действительно, значения, очень близкие к приведенным, были получены при протонировании ряда соединений CeHsY.
Стерические требования Н+, конечно, очень невелики, но если CeH5Y атакуется любым другим электрофилом Е+, который неизбежно является более громоздким, взаимодействие между Е и Y в переходном состоянии, образующимся во время атаки орто-положения по отношению к Y (576; R = Е), усилится из-за увеличения размеров атакующего электрофила и заместителя. Такого увеличения взаимодействия не можт быть в переходном состоянии, образующемся во время атаки пара-положения (57a, R = E). Эти особенности отражаются в увеличении AG* для о-атаки; такая реакция будет, следовательно, более медленной, и относительная доля продукта орто-замещения будет уменьшаться по мере увеличения размеров Е и (или) Y. Это иллюстрируется снижением отношений fo/fn для реакции нитрования различных алкилбензолов в сравнимых условиях:
Увеличение размера Y
Содержание изомера, %
Y	орто	пара	
СН3	58	37	0,78
СН2Ме	45	49	0,46
СНМе2	30	62	0,24
СМе3	16	73	0,11
177
и для реакций хлорбензола с различными электрофилами:
Увеличение размера Е +
Реакция
Содержание изомера, %
	орто	пара	fo/f п
Хлорирование	39	55	0,35
Нитрование	30	70	0,21
Бромирование	11	87	0,06
Сульфирование	1	99	0,005
То, что стерический фактор не является единственным определяющим, видно из данных для нитрования галогеибензолов: галогены ведут себя как орто-пара-ориентанты, но общая скорость атаки галогеибензолов немного меньше, чем скорость , атаки бензола (см. разд. 6.7.1.4):
Увеличение размера Y
Содержание изомера, %
Y	орто	пара	^о^п
F	12	88	0,07
С1	30	69	0,22
Вг	37	62	0,30
I	38	60	0,32
Несмотря на увеличение размеров заместителя Y от F к I, доля орто-изомера (а следовательно, и отношение fo/fn) фактически возрастает. Увеличивающийся стерический эффект, как и в случае алкилбензолов, действует в направлении ингибирования о-атаки, ио этот эффект конкурирует с электроноакцепторным индуктивным эффектом и эффектом поля, проявляемыми атомом галогена Y. Индуктивный эффект уменьшается по мере удаления от атома галогена и проявляется несколько слабее в пара-положении по сравнению с соседним орто-положением. Оттягивание электронов будет особенно отражаться в орто-положении при наличии очень электроотрицательного атома фтора, и поэтому наблюдается. относительно медленная атака фтор-бензола в орто-положение, несмотря на малые размеры атома фтора. Электроноакцепторный эффект галогена заметно падает от F к I (наибольшее изменение наблюдается при переходе от F к С1), что и приводит к усилению атаки в орто-положение, несмотря на увеличение объема Y.
Известно несколько случаев, когда орто-замещение происходит при почти полном отсутствии атаки в пара-положение. Такие реакции объясняются взаимодействием (по механизму комплексообразования) заместителя, уже находящегося в кольце, и атакующего электрофила, так что последний «направляется» в соседнее орто-положение. Например, при нитровании простого эфира—1-метокси-2-фенилэтана (58)—нитрующей смесью получают 32 % орто-изомера и 59'% пара-изомера (вполне нормальное распределение), но при нитровании действием N2Os в MeCN образуется 69 % орто- и 28 % пара-изомеров. Эта пре-
178
имущественная атака во втором случае, как полагают, протекает по, схеме:
(58)
Наконец, следует сказать, что соотношения орто- и пара-изомеров в значительной степени зависят от растворителя, в котором проводится реакция. Это может объясняться изменениями в относительной стабилизации молекулами растворителя тех переходных состояний, которые образуются при о- и n-атаках, но может следовать и из реальных различий атакующих электрофилов в разных растворителях. Реагирующие молекулы образуют комплексы с молекулами растворителя, и возникающий электрофил оказывается различным в каждом случае. Такое положение почти наверное имеет место при галогенировании в отсутствие кислот Льюиса как катализаторов. Например, при хлорировании толуола при 25 °C отношения f0/fn оказались равными 0,75 и 0,34 в зависимости от растворителя.
6.7.4.	ипсо-Замещение
Кроме о-, м- и n-атаки C6H5Y существует, по крайней мере теоретически, возможность атаки электрофилом атома углерода кольца, с которым связан заместитель Y:
интермедиат
Результатом такой атаки должно быть, таким образом, замещение Y+ электрофилом Е+. Такую реакцию называют ипсо-замещением.
Известен ряд таких реакций, в которых атакующим электрофилом является Н+, например:
(Y+= Me3sr)
179
В этом случае заместитель Me3Si может быть замещен особенно легко (протодесилилирование); аналогичное замещение происходит в обратимой реакции сульфирования (протодесу/tb-фирование) (см. разд. 6.4):	/
Главным фактором, содействующим суммарной реакции unco-замещения, является легкость образования Y+. Можно надеяться поэтому, что реакции такого типа возможны при наличии вторичных и третичных алкильных заместителей вследствие относительной устойчивости соответствующих вторичных и третичных карбокатионов R+. Показано, что это случается в реакциях нитрования (нитродеалкилирование), приведенных ниже:
СНМе2 (56%)
(Y+ = +CMe3)
No+ не-
возможно замещение не только алкильных, но и других групп (например, нитродегалогенирование):
(Y = Br+,31%)
(Y = I , 40%)
Однако аналогичное нитродехлорироваиие не наблюдается, так как энергия образования С1+ выше, чем в случае Вг+ и I+. Хотя многие из наблюдавшихся реакций unco-замещения являются реакциями нитрования, оно может происходить также и во время атаки другими электрофилами (например, бромдеал-
180
килирование):
(Y+=+CMe3)
(71%)
Несомненно, что такой ыпсо-атаке, как и в некоторых других приведенных выше реакциях деалкилирования, благоприятствует ингибирование нормальной электрофильной атаки тех положений в кольце, которые окружены объемистыми алкильными группами. Важно отметить, что с возможностью протекания реакций ыпсо-замещения следует считаться, когда предполагается осуществить препаративное электрофильное замещение полиза-мещенных производных бензола.
6.8.	Кинетический и термодинамический контроль
Во всех случаях, о которых шла речь выше, предполагалось, что соцтношение альтернативных продуктов, образующихся в ходе реакции, например о-, м- и n-изомеров, определяется соотношением скоростей их образования, т. е. регулируется кинетически (см. разд. 2.2.3). Однако это не всегда наблюдается на практике. Например, при алкилировании по Фриделю — Крафтсу толуола (Me — орто-па/щ-ориентант) бензилбромидом при 25 °C в присутствии GaBr3 (кислота Льюиса; катализатор) найдено следующее соотношение изомеров:
Время, с Содержание изомера, % орто мета пара
0,01	40	21	39
1,0	23	46	31
Даже через очень короткий промежуток времени с начала реакции (0,01 с) сомнительно, чтобы соотношение изомеров (в небольшом количестве уже успевшего образоваться продукта) контролировалось чисто кинетически — доля м-изомера уже относительно велика. Это подтверждается составом смеси, полученной через 10 с: м-бензилтолуол— термодинамически наиболее устойчивый изомер — преобладает, и контроль теперь уже, очевидно, определяется равновесными характеристиками, т. е. становится термодинамическим (см. разд. 2.2.3).
Такая ситуация должна иметь место в тех случаях, когда альтернативные продукты способны взаимно превращаться друг в друга в условиях реакции. Это возможно или путем прямой изомеризации, или вследствие обращения реакции с образованием исходных веществ, которые затем подвергаются новым
181
атакам и дают термодинамически более устойчивые изомеры. Важно подчеркнуть, что соотношения образующихся альтернативных продуктов будут определяться их относительной термодинамической устойчивостью в условиях данной реакции, которые могут отличаться от условий существования изолированных молекул. Например, при нагревании jw-диметилбензола (jw-кси-лол) при 82 °C с HF в присутствии каталитического количества BF3 содержание трех изомерных диметилбензолов в продукте реакции очень близко к содержанию, вычисленному на основе их термодинамических устойчивостей:
Содержание, %
эксперимент расчет
о-Изомер	19	18
л-Изомер	60	58
п-Изомер	21	24
Однако при использовании избытка BF3 продукт реакции содержит 97 % jw-диметилбензола; это связано с тем, что диметил-бензолы в этих условиях могут превращаться в соответствующие соли, например:
Равновесие вследствие этого будет смещаться в сторону наиболее основного изомера, а именно мета-изомера, который образует наиболее стабильный катион (59) в составе ионной пары с BFJ. Известны также примеры реакций, в которых тип контроля зависит от температуры (см. ниже).
6.9.	Электрофильное замещение в других ароматических системах
В случае нафталина электрофильное замещение (например, нитрование) происходит преимущественно в положение 1(a), а не в положение 2(Р). Это можно объяснить более эффективной делокализацией, а следовательно, и стабилизацией, которая имеет место в интермедиате Уиланда, в случае атаки в положение 1 (60а)	(606), чем при атаке в положение 2 (61):
(61)
182
В каждом случае можно записать еще несколько форм интермедиатов, в которых положительный заряд делокализован во втором кольце. Для замещения в положение 1 таких форм может быть семь, для замещения в положение 2 — шесть. Однако наиболее важны те формы, в которых второе кольцо сохраняется нетронутым и сохраняет полностью делокализованные л-орбитали; различие между а- и ^-замещением при этом становится особенно заметным, так как первому случаю соответствуют две такие формы, а второму — одна. Возможность делокализации заряда в ст-комплексе нафталина выше, чем в ст-комплексе бензола. Это позволяет предположить, что электрофильная атака в случае нафталина будет протекать легче, что и наблюдается в действительности *.
Было показано, что сульфирование нафталина концентрированной H2SO4 при 80 °C приводит почти полностью к а-замеще-нию, тогда как скорость образования альтернативной 2-сульфо-кислоты при этой температуре очень мала, т. е. имеет место кинетический контроль. В то же время сульфирование при 160 °C приводит к продукту, содержащему не менее 80 % 2-сульфокислоты и лишь 20 % 1-изомера. Тот факт, что в этих условиях действует термодинамический контроль, подтверждается наблюдением, что при нагревании чистой нафталин-1- или нафталин-2-сульфокислоты в концентрированной H2SO4 при 160 °C образуется равновесная смесь такого же состава: 80 % 2-сульфокислоты и 20 % 1-сульфокислоты. Большая устойчивость 2-сульфокислоты по сравнению с 1-сульфокислотой объясняется тем, что в 1-сульфокислоте наблюдается дестабилизирующий эффект из-за стерического взаимодействия между объемистой группой SO3H и атомом Н в соседнем положении (положение8), тогда как в 2-сульфокислоте атомы водорода в положениях 1 и 3 более удалены от группы SO3H.
Взаимное превращение 1- и 2-сульфокислот в H2SO4 при 160 °C может осуществляться или в результате прямой внутримолекулярной изомеризации, или вследствие обращения реакции сульфирования с образованием нафталина, который подвергается новой атаке уже в другом месте. Для того чтобы решить, по какому из этих путей идет взаимодействие, проводят реакцию в H25SC>4. В первом случае образующиеся сульфокислоты не должны содержать 35S, тогда как во втором случае включение 35S должно иметь место. Экспериментально показано, что включение 35S действительно происходит, но со скоростью более медленной, чем скорость взаимопревращения кислот. Это можно
* О применении концепции граничных орбиталей для объяснения соотношения изомеров в реакциях электрофильного ароматического замещения в нафталине и других полициклических ароматических углеводородах см. прим, ред. иа с. 167. — Прим. ред.
183
объяснить тем, что либо оба пути осуществляются одновременно, либо тем, что после десульфирования новая атака на образующиеся молекулы нафталина освобождающимися молекулами H2SO4 происходит быстрее, чем атака молекулами H^SCh- Вопрос о том, какой путь преобладает, остается открытым.
Пиридин (62), подобно бензолу, имеет шесть л-электронов (один из которых поставляется азотом) на делокализованных n-орбиталях, но, в отличие от бензола, л-орбитали пиридина деформированы из-за смещения электронов в сторону атома азота, так как азот более электроотрицателен, чем углерод. Это проявляется в наличии у пиридина дипольного момента; отрицательный конец диполя находится на атоме азота, а положительный — на ядре:
и = 2,ЗД(62)
Пиридин, следовательно, является л-дефицитным гетероциклом и, по аналогии с бензольным кольцом, содержащим электроноакцепторный заместитель, например NO2 (см. разд. 6.7.1.1), можно ожидать, что он будет дезактивирован в отношении электрофильной атаки. Замещение происходит с трудом в положение 3, поскольку при этом образуется наиболее устойчивый интермедиат Уиланда (63); каждый из интермедиатов, образующихся в результате атаки положений 2 и 4 [(64) и (65) соответственно], имеет каноническое состояние, в котором положительный заряд локализован на двухвалентном атоме азота; это состояние чрезвычайно неустойчиво, т. е. обладает высокой энергией:
Н. Я
(63)
(65)
Здесь имеется некоторая формальная аналогия с м-атакой нитробензола (ср. разд. 6.7.1.1), но пиридин замещается с большим трудом, чем нитробензол. Так, нитрование, хлорирование, бромирование и реакции Фриделя — Крафтса практически не могут быть проведены, а сульфирование происходит только при нагревании с олеумом в течение 24 ч при 230 °C в присутствии Hg2+ (стабилизатор). Такая затрудненность атаки обусловлена отчасти тем, что пиридин имеет свободную электронную пару на
184
атоме азота и может, следовательно, протонироваться или взаимодействовать с электрофилом [формулы (66) и (67) соответственно]. Возникающий при этом положительный заряд должен, безусловно, дестабилизировать любой из ст-комплексов, образующихся при электрофильном замещении, как при наличии заместителей типа +NR3 в бензольном ряду (см. разд. 6.7.1.1). Однако в случае пиридина дестабилизация будет гораздо более выражена, так как положительный заряд в протонированном пиридине находится на одном из атомов кольца, а не просто на заместителе.
(66)	(67)
, Пиррол (68) также имеет шесть л-электронов на делокализованных л-орбиталях, причем его атом азота вносит в л-элек-тронную систему два электрона, чтобы довести их число до шести (поэтому пиррол становится практически неосновным), а диполь пиррола, как было найдено, имеет противоположное направление, т. е. положительный конец — на атоме азота, а отрицательный конец — на ядре.
(69)
Пиррол, таким образом, является л-избыточным гетероциклом. Пиррол ведет себя аналогично реакционноспособному производному бензола, например анилину (см. разд. 6.7.1.3), очень легко подвергаясь электрофильной атаке. Эта атака осложняется тем, что в сильнокислой среде пиррол очень легко протони-руется, несмотря на его низкую основность; протонирование происходит по атому углерода в положении 2 [(формула (69)], а не по атому азота (ср. разд. 3.2.4). Вследствие этого соединение утрачивает ароматический характер; катион ведет себя аналогично сопряженному диену, очень легко подвергаясь полимеризации.
Электрофильное замещение пиррола можно тем не менее осуществить в специфических условиях [например, ацилирование (МеСО)2О—BF3, сульфирование комплексом пиридина с SO3(C6H5N-SO3); ср. (67)], обеспечивающих преимущественную атаку в положение 2, а не 3. Это объясняется несколько большей устойчивостью интермедиата Уиланда (70), образующегося в первом случае, по сравнению с интермедиатом (71), который
185
образуется во втором случае:
(70а)	(706)	(70в)
Различие в стабильности этих двух структур не очень велико из-за высокоактивированного состояния ядра, и замещение легко идет в положение 3, если положение 2 занято. Действительно, довольно легко можно наблюдать замещение всех четырех атомов углерода, например', при бромировании бромом в уксусной (этановой) кислоте.
6.10.	Нуклеофильное замещение в ароматических системах
6.10.1	Замещение атомов водорода
Можно ожидать, что нуклеофильная атака незамещенного бензольного ядра протекает с гораздо большим трудом, чем электрофильная. Это связано с тем, что л-электронное облако ядра (см. разд. 6.1), вероятно, отталкивает приближающийся нуклеофил, и с тем, что л-орбитальная система бензольного ядра гораздо менее способна к делокализации (а следовательно, и к стабилизации) двух лишних электронов в отрицательно заряженном комплексе (72), чем в положительно заряженном интермедиате Уиланда (73):
(72)	(73)
Оба эти условия в некоторой степени преодолеваются, если присутствует достаточно сильный электроноакцепторный заместитель. Нуклеофильная атака в этом случае становится возможной (ср. присоединение нуклеофилов к алкенам, содержащим электроноакцепторные заместители; разд. 7.6). Так, показано, что при сплавлении нитробензола с КОН иа воздухе образуется
186
о-нитрофенол (75) н небольшое количество п-нитрофенола:
(74)	(75)
Для анионных частиц (74) (ср. интермедиаты Уиланда) можно написать и другие канонические структуры, но наиболее важна структура, в которой отрицательный заряд накапливается (и стабилизируется) на атоме кислорода нитрогруппы. Это возможно только в том случае, если атакующая группа -ОН занимает орто- или пара-положения по отношению к NO2-rpynne (ср. специфическую стабилизацию ст-комплексов во время электрофильной атаки орто- и пара-положений к группе ОМе; разд. 6.7.1.3). Частица (74) может восстановить ароматические свойства при отщеплении из положения 2 группы -ОН или иона Н~; в первом случае образуется продукт восстановления исходного вещества (нитробензола), в последнем — продукт (75). Гид-рид-ион Н~—плохая уходящая группа (в отличие от гораздо лучшей уходящей группы Н+ при электрофильной атаке), так что равновесие стремится сместиться влево. Группа -ОН, являясь лучшей уходящей группой, отщепляется гораздо чаще, чем Н~, если только не присутствует какой-либо окисляющий агент, например кислород воздуха, KNO3 или КзРе(СМ)6, который способствует отщеплению гидрид-иона и связывает его, как только он образуется. Некоторые превращения происходят в отсутствие какого-либо окисляющего агента, потому что нитробензол сам может действовать как окисляющий агент (восстанавливаясь до азоксибензола), но в этом случае выход нитрофенола очень мал.
Как можно было бы ожидать, электроноакцепторный заместитель NO2, направляющий электрофильную атаку в мета-по-ложение, нуклеофильную атаку направляет в орто- и пара-положения.
В случае пиридина, атом азота которого обладает способностью оттягивать электроны, атака сильными нуклеофилами возможна и при отсутствии таких заместителей. Так, пиридин реагирует с ионом +NH2 (амид натрия NaNH2) в Л\#-диметил-анилине (растворитель) — реакция Чичибабина:
(76)
(77)	(77а)
187
Уходящая группа Н~ отщепляет протон от вводимой группы NH2, высвобождая таким путем Н2 и превращая амин (77) в анион (77а). Этот анион может превратиться при обработке водой в целевой 2-аминопиридин (77), который является полезным исходным соединением для дальнейших синтезов.
6.10.2.	Замещение неводородных атомов
Поскольку Н- (в противоположность Н+)—очень плохая уходящая группа, то при простом ароматическом нуклеофиль^ ном замещении ыпсо-атака (ср. разд. 6.7.4) является правилом, а не исключением. Такие группы, как СГ, Вг', N2, SO3, 'NR2 и т. д., входят в число наиболее эффективных уходящих групп. Поэтому для соответствующих ароматических субстратов могут наблюдаться процессы, аналогичные нуклеофильному замещению у насыщенного атома углерода (см. разд. 4.1).
Типичным примером является замещение N2 в реакциях с солями диазония ArN2, имеющее очень большое препаративное значение:
ArN£ + Y’ —> ArY + N2
Показано, что эта реакция подчиняется кинетическому уравнению
Скорость = fe[ArNj],
т. е. скорость реакции не зависит от концентрации Y- (аналогия с механизмом 5ы 1; см. разд. 4.1). Это соответствует медленному, скорость лимитирующему образованию арил-катиоиа, например (78), с последующей быстрой его реакцией с присутствующим нуклеофилом:
-N2	(78)
Сходство с механизмом 5ы1 усиливается тем фактом, что добавленные нуклеофилы (СН, МеОН и др.) влияют на состав продуктов реакции, но не на скорость реакции; это соответствует приведенному выше кинетическому уравнению.
Образование очень неустойчивого фенил-катиона (78), в котором положительный заряд не может быть делокализован с помощью л-орбитальной системы, на первый взгляд кажется несколько удивительным. Однако это возможно багодаря чрезвычайной эффективности N2 как уходящей группы [энергия связи N=N равна 946 кДж/моль (226 ккал/моль)]. Важно отметить,
188
что эта реакция, по-видимому, является единственной реакцией, в ходе которой в растворе могут генерироваться простые арил-катионы. Эти катионы очень реакционноспособны и поэтому мало избирательны по отношению к нуклеофилам. Так, для катиона СбН5+ &(С1-)/&(Н2О) = 3, тогда как для МезС+ это отношение равно 180. Очень высокая активность CgHs проявляется и в его способности рекомбинировать с N2; разложение катиона диазония является, таким образом, обратимый, что было обнаружено, в частности, при изучении захвата метки 15N:
+ 15	15	15
N=N	N=N	N=N +
(79a)	(796)
Особенно важной реакцией солей диазония ArN2 является введение в бензольное ядро атома фтора (это невозможно путем прямого взаимодействия с F2; ср. разд. 6.4):
д
ArNj BF; ------>- Аг—F + Njf + BF3f
Фторбораты, в отличие от других солей диазония, относительно устойчивы. Их можно выделить, а затем нагреть в сухом виде, чтобы получить чистый ArF; другие продукты выделяются в виде газов. Некоторые реакции солей диазония, особенно в менее полярных растворителях, могут протекать также и через первоначальное образование радикалов (ср. разд. 11.5.2.3).
Наиболее типичной реакцией ароматического нуклеофильного замещения является замещение Hal- в галогенпроизвод-ном, активированном электроноакцепторными группами, например в соединении (80) :
Такие реакции обычно протекают в соответствии с кинетическим уравнением
Скорость — k [ArX] [ Y"),
так что для них можно отметить некоторое формальное сходство с механизмом SN2. Однако в приведенном выше механизме атака нуклеофилом Y- не может происходить «с тыла» атома
189
углерода, связанного с уходящей группой (ср. механизм SN2; разд. 4.1), а должна происходить сбоку. Такой механизм часто называют механизмом 5ы2аРомат. Кроме того, исходя из приведенного выше кинетического уравнения, эта реакция может быть согласованной (подобно Sn2) [в этом случае структура (81) является переходным состоянием] или протекать по ступенчатому механизму, в котором медленной, скоростьлимитирующей стадией является стадия 1 или стадия 2 [в этом случае (81) является промежуточным соединением]. Последняя гипотеза подтверждается тем, что можно выделить и охарактеризовать мето: дами ЯМР-спектроскопии и рентгеноструктурного анализа ряд частиц, аналогичных (81), например (82), а также так называемый комплекс Нейзенгеймера (84) — кристаллическое вещество красного цвета. Комплекс (84) образуется при действии ЕЮ- на метиловый эфир (83) или при действии МеО~ на этиловый эфир (85). Подкисление реакционной массы приводит к образованию из обоих субстратов смеси (83) + (85) одного и того же равновесного состава. Это, конечно, не доказывает, что обычные реакции замещения, например, ароматических галогенидов проходят через образование промежуточных соединений, но это делает их образование более вероятным.
(82) Y=H,MeO
(83)
(85)
(84)
Прямым подтверждением ступенчатого механизма является сравнение скоростей реакций ряда субстратов, имеющих различные уходящие группы, с одним и тем же нуклеофилом, например реакций 2,4-динитрогалогенбензолов (86) с пиперидином (87):
(86)	(87)
190
Было найдено, что относительные скорости реакций при X = С1, Вт и I равны 4,3, 4,3 и 1,0 соответственно. Разрыв связи С—X, следовательно, не может происходить на скоростьлимити-рующей стадии реакции, так как в этом случае следовало бы ожидать значительно больших различий в скоростях в ряду I > Вт 2> С1. Эта реакция не может быть, следовательно, одноступенчатой, т. е. согласованной (ср. Sn2), а в двухступенчатом механизме, предложенном выше, стадия 1 — атака нуклеофилом — должна быть скоростьлимитирующей стадией. Интересно также отметить, что относительная скорость приведенной выше реакции в случае X = F равна 3300. Это является результатом очень сильного электроноакцепторного ускоряющего действия атома фтора на стадию Г. а) путем превращения атома углерода, с которым связан фтор, в более положительный и поэтому более легко атакуемый нуклеофилом; б) путем содействия стабилизации анионного интермедиата (88):
NO?
2,4-Динитрофторбензол (86; X — F) из-за его высокой реакционной способности часто используют для связывания МНг-группы концевой аминокислоты при анализе концевых групп белка. Присоединившуюся при этом 2,4-динитрофенильную группу очень трудно отщепить; она сохраняется даже при последующем гидролизе белка на составляющие его аминокислоты.
Различие в скоростях нуклеофильного ароматического замещения объясняется тем, что атака соединения (86) зависит от способности атома галогена X (благодаря оттягиванию электронов) влиять на относительную легкость атаки субстрата нуклеофилом. Образующийся при этом ряд обратен ряду относительной способности галогенид-ионов быть уходящими группами. Относительные скорости реакции 2,4-динитрогалогенбензолов с C6H5NHMe (в нитробензоле при 120 °C) при X = F, С1 и Вг соответственно равны 1, 15 и 46, что соответствует их способности быть уходящими группами. Возможно, что в этой реакции стадия 2 входит, по крайней мере отчасти, в скоростьлимитирую-щую стадию.
Таким образом, к известным ранее реакциям типа Sn2, в которых разрыв связи с уходящей группой и образование связи с нуклеофилом происходят одновременно, и реакциям типа SnI, где разрыв связи с уходящей группой происходит до образования связи с нуклеофилом, следует добавить реакции типа 5м2аромат, в которых разрыв связи с уходящей группой происходит после образования связи с нуклеофилом. Это нуклеофильное
191
ароматическое «замещение» является по существу процессом присоединения — отщепления, очень сходным с электрофильным ароматическим «замещением» и отличающимся от него лишь атакующими частицами. Другими важными реакциями нуклеофильного ароматического замещения, имеющими препаративное значение, являются замещения SO3’ в солях щелочных металлов сульфокислот, например ArSOs Na+, нуклеофилами ~ОН и _CN, и менее важное замещение ~NR2 в п-нитрозо-А,А-диалкил-анилинах группой 'ОН.
Способность электроноакцепторного заместителя стабилизировать анионный интермедиат, например (81), объясняется только мезомерным эффектом, т. е. если нитрогруппа, например, находится в орто- или пара-положении по отношению к уходящей группе. Реакционная способность галогенпроизводных увеличивается в ряду:
Аналогично, 2- и 4-галогенпиридины, но не 3-галогенпири-дины, легко подвергаются нуклеофильному замещению. Мезо-мерное взаимодействие с электроноакцепторным заместителем будет снижено или исключено вовсе, если р-орбиталь атома, связанного с ядром, например атома азота в NO2, не может стать параллельной р-орбитали атома углерода ядра, с которым этот атом связан (стерическое ингибирование делокализации; ср. разд. 3.2.3). Относительные скорости нуклеофильной атаки ряда галогенпроизводных приведены ниже:
Различия в скоростях для соединений (91) и (92) очень невелики, поскольку Me-группы не препятствуют мезомериому электроноакцепторному эффекту CN-группы, имеющей линейное строение. Однако это различие гораздо более выражено для со-
192
единений (89) и (90), так как Me-группы в соединении (90) мешают атому кислорода нитрогруппы находиться в той же плоскости, что и бензольное ядро: перекрывание р-орбиталей атомов азота и соседнего атома углерода, таким образом, значительно снижено.
Наконец, необходимо упомянуть, что ряд некоторых реакций нуклеофильного замещения активированных галогенаренов можно проводить в биполярных непротонных растворителях, таких как диметилсульфоксид (ДМСО) Me2S+—О-. В этом случае отсутствует сольватная оболочка, образованная (как, например, в МеОН) за счет водородных связей, которую необходимо удалить от Y-, прежде чем он начнет действовать как нуклеофил. Вследствие этого значения AG* в таких растворителях гораздо ниже, а скорость реакции соответственно выше. Различие в скоростях не менее чем в 109 раз наблюдали при замене растворителя МеОН на Me2SO. Хлорбензол в этих условиях легко реагирует с Ме3СО~:
дмсо
Ph—С1 + Ме3СО" ----► Ph—ОСМез + СГ
6.10.3.	Замещение по ариновому механизму
Неактивированные галогенарены относительно инертны к действию нуклеофилов в обычных условиях, однако их реакционная способность значительно повышается, если нуклеофилы являются очень сильными основаниями. Так, хлорбензол легко превращается в анилин в ходе реакции с ~NH2 (NaNH2) в жидком аммиаке при —33 °C:
жидк. NH3
PhCl + "NH2 -------->- PhNH2 + СГ
—33 °C
Предполагают, что такое различие в реакционной способности объясняется возможностью протекания реакции по механизму иному, нежели 5м2аромат- Некоторая информация об этом может быть получена при исследовании аналогичной реакции /г-метилхлорбензола (93), в которой одинаково легко образуется не только ожидаемый /г-аминометидбензол (94), но и неожиданный л-аминометилбензол (95), причем с относительно большим выходом:
~nh2
жидк. ЫНз, -33 *С
(94) (38%) (95) (62%)
7 П. Сайкс
193
о-Изомер при этом не образуется, а соединения (94) и (95), как было показано, в условиях реакции ие превращаются друг в друга. Эти данные в сочетании с тем фактом, что _NH2, как известно, способен удалять протоны (дейтероны) из бензольного кольца [причем скорость удаления протона (дейтерона) из дейтерированного фторбензола в 108 раза выше, чем из самого дей-териобензола]
жидк. NH3, -33 °C
дают возможность предположить, что в данном случае _NH2 атакует как основание атом водорода, который находится в орто-положении по отношению к атому хлора, а не атакует как нуклеофил атом углерода связи С—С1:
Me
Н
(95)
Отщепление протона от соединения (93) может протекать согласованно с отщеплением атома хлора или предшествовать ему; в результате образуется ариновый интермедиат (97). Этот интермедиат имеет два альтернативных положения [ср. формулы (1016) и (101 в)] для атаки -NH2. Образование продукта завершается отщеплением протона из растворителя NH3. Суммарным результатом реакции оказывается формальное присоединение NH3 в два альтернативных положения кольца. Не следует ожидать, что относительные количества таких двух альтернативных продуктов будут одинаковыми, так как интермедиат (97) имеет несимметричное строение, т. е. два возможных направления атаки -NH2 неодинаковы.
В этом случае реакция идет по механизму отщепления — присоединения, в отличие от присоединения — отщепления в случае механизма £м2арОмат, и формально соответствует реакции элиминирования простых алкилгалогенидов (см. разд. 8.7). Подтверждением аринового механизма является тот факт, что галоге-
194
ниды (98), (99) н (100) реагируют с ~NH2 в условиях, более жестких, чем те, которые можно было бы объяснить стериче-скими эффектами о-Ме-групп в этих соединениях. Причина, видимо, заключается в том, что ни одно из этих соединений не содержит атом водорода в орто-положении к галогену; это требование, как показано выше, необходимо для начала реакции, протекающей через ариновый интермедиат.
Арины не могут быть отнесены к ацетиленам, так как потребовалась бы очень сильная деформация бензольного кольца, чтобы расположить связи под углом 180°, как это требуется для зр'-гибридизованных атомов в алкине (разд. 1.3.3). Более вероятно, что делокализованные л-орбитали ароматической системы в основном не затрагиваются (ароматическая устойчивость таким образом сохраняется), а два доступных электрона располагаются на исходных зр2-гибридных орбиталях (101):
(Ю1а)	(Ю1б)	(101в)
Перекрывание между этими орбиталями (с учетом пространственных требований) оказывается слабым, как и соответствующие связи; поэтому арины очень реакционноспособны по отношению к нуклеофилам (и к электрофилам), хотя некоторую селективность к их действию они все же проявляют.
Существование аринов доказано в экспериментах с их улавливанием и по данным спектроскопии. Сам бензин (дегидробензол) был выделен в твердом аргоне при 8 К. Генерирование бензина (101) в присутствии фурана (102) приводит к получению аддукта реакции Дильса — Альдера (см. разд. 7.5.2) (103), который подвергается быстрому катализируемому кислотой разрыву кольца с выделением нафтола-1 (104):
(101) (102) (ЮЗ)
О
7~
195
Если беизии образуется в таких условиях, в которых отсутствуют частицы, с которыми бы ои взаимодействовал, тогда он очень быстро димеризуется («самоулавливаиие») в устойчивый дифеиилеи (105):
(101) (101)	(Ю5)
Очень убедительное доказательство существования бензина получено физическими методами. В нагретую трубку масс-спектрометра вводили цвиттер-ион (106)—соль диазотированной о-аминобензойной (антраниловой) кислоты. Полученный масс-спектр оказался очень простым и содержал пики с т/е 28, 44, 76 и 152:
+ N2
m/e 28
Пик с т/е 76 быстро исчезал, а пик с т/е 152 увеличивался во времени, что указывает иа постепенную димеризацию бензина в более устойчивый дифенилен (105).
Для препаративного получения аринов использовали такие методы, как пиролиз соли (106), что не требует сильНощелочиой среды, и окисление 1-амииобензотриазола (107) в присутствии тетраацетата свинца:
РЬ(ОАс)«
—* (Ю1)+ 2N,
Вполне возможно, что реакции неактивироваииых галоген-аренов с основаниями, более слабыми, чем ~ОН, которые идут в значительно более жестких условиях, протекают как с образованием ариновых интермедиатов, так и по механизму 5ы2аромат. Относительные вклады каждого из этих механизмов в суммарное превращение зависят от соотношения нуклеофила и субстрата, от структуры ароматического субстрата и от условий реакции.
196
Глава 7
ЭЛЕКТРОФИЛЬНОЕ И НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ПРИСОЕДИНЕНИЕ ПО СВЯЗИ С=С
7.1.	Присоединение галогенов......................................198
7.2.	Влияние заместителей на скорость	присоединения...............202
7.3.	Ориентация присоединения.....................................203
7.4.	Другие реакции присоединения.................................206
7.4.1.	Присоединение других галогенпроизводных................206
7.4.2.	Гидратация.............................................207
7.4.3.	Присоединение карбокатионов............................208
7.4.4.	Гидроксилирование......................................209
7.4.5.	Гидрирование...........................................211
7.4.6.	Озонолиз...............................................212
7.5.	Присоединение к сопряженным	диенам...........................215
7.5.1.	Электрофильное присоединение...........................216
7.5.2.	Реакция Дильса — Альдера.............................  218
7.6.	Нуклеофильное присоединение..................................220
7.6.1.	Цианэтилирование...................................... 221
7.6.2.	Реакция Михаэля........................................221
7.6.3.	Присоединение к системе связей С —С—С = О............  222
Как уже говорилось (см. разд. 1.3.2), двойная углерод-углеродная связь состоит из сильной о-связи и более слабой л-связи.
Пара электронов на л-орбитали более подвижна, менее прочно удерживается ядрами атомов углерода и, следовательно, легче поляризуется, чем электроны о-связи, что ведет к характерной для таких ненасыщенных соединений реакционной способности. Поскольку в углерод-углеродной двойной связи л-электроны пространственно наиболее доступны, естественно ожидать, что они должны экранировать молекулу от- атаки нуклеофильными реагентами. Показано, что л-электроны действительно играют такую роль (ср., однако, разд. 7.6). Неудивительно, что наиболее характерными реакциями двойной углерод-углеродной связи оказались реакции, инициируемые электронодефицитиыми частицами, такими как Х+ и X • (радикалы можно рассматривать как электронодефицитиые частицы, поскольку они стремятся присоединить еще один электрон для образования связи), причем катионы индуцируют гетероциклическое, а радикалы — гомолитическое расщепление л-связи. Показано, что первое преобладает в полярных растворителях, а второе — в неполярных растворителях, особенно при действии света. Реакции присоединения, индуцируемые радикалами, обсуждаются ниже (см. разд. 11.5.1.1).
197
7.1. Присоединение галогенов
Одним из классических тестов на ненасыщенную связь и, возможно, наиболее известной реакцией присоединения к алкенам является обесцвечивание брома, особенно в растворе СС1«. Эта реакция обычно легко протекает в отсутствие катализаторов, и заманчиво допустить, что имеет место простой одноступенчатый механизм:
Однако имеющиеся экспериментальные данные опровергают это предположение.
Во-первых, если присоединение брома проводить в присутствии нуклеофила Y" или Y: (например, СГ, NO3 Н2О:), то кроме ожидаемого 1,2-дибромида (3) образуются и такие продукты (4), которые содержат один атом брома и один атом Y (или группу), присоединившиеся по двойной связи:
вг2 + у-
СН2=СН2 -------> ВгСН2-СН2Вг + ВгСН2—ch2y
(3)	(4)
Это, очевидно, не согласуется с одноступенчатым механизмом, подобным приведенному выше, в котором нет возможности для атаки нуклеофилом Y". Важно, конечно, установить, что соединение (4) не образуется просто в результате последующей атаки нуклеофилом Y~ ранее образовавшегося соединения (3); экспериментально найдено, что образование продукта (4) в этих условиях происходит с гораздо большей скоростью, чем скорость реакции нуклеофильного замещения. Возможное объяснение образования продукта (4) —это конкуренция между Y- и Вг- (образовавшимся из Вг2) в ходе формирования обычного интермедиата (см. ниже).
Во-вторых, показано, что [в случае таких простых алкенов, в которых это можно обнаружить, например в транс-бутене-2 (5)] атомы брома присоединяются с противоположных сторон плоской молекулы алкена, т. е. происходит owru-присоединение:
(6) мезо (анти-присоединение)
198
Продуктом реакции является симметричный мезо-дибромид (6), тогда как если бы имело место cuw-присоединение (оба атома брома присоединились бы с одной и той же стороны), то получали бы несимметричный (±)-дибромид (7):
(7)(±)
(син-присоединение)
Экспериментально показано, что в случае соединения (5), как и в реакциях с другими простыми ациклическими алкенами, присоединение почти полностью протекает стереоселективно, т. е. на « 100 % является сити-присоединением. Этот результат также не согласуется с одноступенчатым механизмом, поскольку атомы в молекуле брома расположены слишком близко друг к другу и не могут одновременно участвовать в анти-при-соединении.
Приведенные выше факты объясняются наличием такого механизма, в котором один конец молекулы брома становится положительно поляризованным вследствие отталкивания л-элек-тронов алкена и поэтому образует с алкеном л-комплекс (8) (ср. Вг2 + бензол; разд. 6.3). Затем л-комплекс расщепляется с образованием циклического бромониевого иона (9) — альтернативной канонической формы карбокатиона (10). Присоединение завершается нуклеофильной атакой оставшимся Вг- (или добавленным Y") одного из двух атомов углерода первоначальной двойной связи со стороны, противоположной бромониевому иону Вг+ с образованием мезо-дибромида (6):
(6)
199
Значительная взаимная поляризация брома и алкена при их взаимодействии [см. формулу (8) ] должна привести к образованию бромониевого катиона (9). Поляризация молекулы брома может быть усилена путем добавления кислоты Льюиса, например А1Вг3 (ср. бромирование бензола; разд. 6.3), что ведет к увеличению скорости реакции. Образование катиона (9), невидимому, обычно является скоростьлимитирующей стадией реакции.
Предположение об образовании циклического бромониевого иона в качестве интермедиата для объяснения высокостереосе-лективного аяти-присоединения, часто наблюдаемого для простых ациклических алкенов, было сделано еще в 1938 г. Данные, подтверждающие существование такого интермедиата, получены из нескольких различных источников: его оказалось возможным определить только физическими методами, используя «суперкислоты» (см. разд. 6.1.1) и ЯМР-спектроскопию. Например, при реакции 1,2-дибромида (11) с SbF5 в жидком SO2 при —60 °C образуется ионная пара, но при этом в спектре ожидавшегося соединения (12) обнаружили не два сигнала (по одному от каждой из двух различных групп, имеющих по шесть эквивалентных протонов), а только один сигнал (б 2,9), что указывало на эквивалентность всех двенадцати протонов, т. е. очень вероятно, что образуется бромониевый ион (9а):
Вг
Вг
/\CH3CH3
Н3С СН3
(11) 62, О
СН3
SbF5
жидк. SO2, у\ СНз
-60°С Н3С СНз Н3С СНз
(12)	(9а) 62, 9
Участие брома в качестве соседней группы (ср. разд. 4.4.6) не доказывает, конечно, -что присоединение к алкенам проходит через циклический бромониевый ион, но означает, что такие частицы могут быть весьма вероятными интермедиатами.
При попытках присоединить Вг2 к очень необычному алкену (13) было доказано, что действительно можно выделить циклический бромониевый ион (14):
200
Это возможно только потому, что дальнейшая атака анионом Вг- ранее образовавшегося интермедиата (14) полностью предотвращается чрезвычайно объемистой, похожей на клетку структурой на каждом конце исходной двойной связи; таким образом, обычное суммарное присоединение Вг2 не может иметь места.
Степень анти-стереоселективности, обнаруживаемой при присоединении галогенов к алкенам, зависит от относительной устойчивости (в данных условиях реакции) промежуточного циклического галогенониевого иона, например (9а), и соответствующего карбокатионного интермедиата, например (12). Так, из-за большей электроотрицательности хлора по сравнению с бромом и соответствующей меньшей склонности разделять свою пару электронов можно ожидать, что присоединение хлора к некоторым алкенам будет менее стереоселективным, чем присоединение брома, что в действительности и происходит. Можно было бы также ожидать, что особенности строения, приводящие к спецйфической стабилизации карбокатионов, могли бы также привести к меньшей анти-стереоселективности. Это наблюдается, например, в случае транс-1 -фенилпропена (15):
сии-присоединение; 30%
анти-присоединение; 70%
Из-за возможности образования делокализованного карбокатиона бензильного типа в этом случае анти-стереоселективность гораздо ниже (70 %), чем при реакции транс-бутена-2 (5) (анти-стереоселективность составляет « 100 %; см. разд. 7.1), для которого подобная делокализация невозможна. Показано, что возрастание полярности и сольватирующей способности растворителя также стабилизирует карбокатионный интермедиат по сравнению с бромониевым ионом; это также уменьшает анти-стереоселективность. Так, найдено, что присоединение брома к 1,2-дифенилэтену (стильбен) в растворителях с низкой диэлектрической проницаемостью проходит на 90—100 % как анти-присоединение, а в растворителе с е = 35 — только на ~ 50 %.
Обычно невозможно присоединить фтор непосредственно к алкенам, так как реакция настолько экзотермична, что происходит разрыв связи. Многие алкены не присоединяют также и иод, а если реакция происходит, то она обычно легко обратима. Выяснено также, что алкины, например бутиндиовая кислота (17), подвергаются преимущественному, хотя и не исключитель-
201
ному, анти-присоедииеиию галогенов:
СО2Н
Вг СО2Н
со2н
но2с
(17)	(70%)	(30%)
7.2. Влияние заместителей на скорость присоединения
Интермедиат, образующийся в реакции присоединения брома, является ли ои бромоииевым иоиом или карбокатионом, положительно заряжен. Поскольку он образуется на скоростьли-митирующей стадии реакции, следовало бы ожидать, по аналогии с электрофильным замещением ароматических соединений (см. разд. 6.7.1.2), что и интермедиат, и переходное состояние, которое предшествует его образованию, могут быть стабилизированы электроиодоиориыми заместителями, т. е. такими заместителями [(18)], которые могли бы увеличить скорость электрофильного присоединения, а противоположный эффект наблюдался бы при наличии электроиоакцепториых заместителей 1(19)]:
Вг	Вг+
(19)
Относительные скорости реакций некоторых алкенов в аналогичных условиях приведены ниже:
СН2=СН->Вг « СН2=СН^СО2Н < СНг=СН2 < Et^>CH=CH2 <
3- 10~2
1	9,6-10
Me. ,Et ^C=CZ н/
Me, ,Ме
ХС=СХ н/ ^Et
Me, ,Ме
ХС=СХ
Me7*	^Ме
4,6-10’	1,19-105	9,25-10s
Эти относительные скорости очень чувствительны к изменению условий реакции. Наблюдаемое увеличение скорости при
202
введении последующих электронодонорных алкильных групп оказывается меньше ожидаемого. Это обусловлено увеличением пространственных затруднений в переходном состоянии, вызванных этими алкильными группами. Фенильная группа также значительно (в 4-103 раза) увеличивает скорость электрофильного присоединения благодаря стабилизации, которая проявляется в интермедиате (20) и в переходном состоянии, которое ему предшествует:
СН-СН2Вг
(20)
СН—СН2Вг
7.3. Ориентация присоединения
Если присоединяющийся электрофил, в отличие от галогенов, имеет несимметричное строение, то в случае несимметричных алкенов, например пропена, возникает проблема ориентации присоединения, как, например, при присоединении галогеново-дородов. Легкость присоединения галогеноводородов к алкеиу уменьшается в ряду
HI > НВг > НС1 » HF
т. е. по мере уменьшения их кислотности. Это позволяет предполагать, что скоростьлимитирующей стадией реакции является присоединение протона к алкену; последующая быстрая нуклеофильная атака анионом На1~ завершает присоединение. В неполярных растворителях источником протона является HHal, а в полярных, особенна в гидроксилсодержащих, растворителях более вероятно, что протон поставляется сопряженной кислотой такого растворителя, например Н3О+ в Н2О.
Мостиковый интермедиат, аналогичный бромониевому иону, не может образоваться, поскольку атом водорода не имеет свободной электронной пары, однако возможно, что в некоторых случаях интермедиатом является л-комплекс (21). Как правило, интермедиат изображают в виде карбокатиона; относительная устойчивость возможных альтернативных карбокатионов, например (23) и (24), очевидно, и определяет суммарную ориентацию присоединения, например, при присоединении НВг к протону (22) в полярных растворителях:
Н+ t Me—СН=СН2 (21)
203
н
Me—СН->СН2
н+	(23)
Me—СН=СН2 -----
(22)	+ У
—► Ме->СН«-СН2
Н
Me—(^Н— СН2
Вг
Н
Вг-	|
--->- Me—СН-СН2
Вг
(24)	(25)
Как было показано ранее (см. разд. 5.2), вторичные карбокатионы более устойчивы, чем первичные, а поскольку это относится к переходным состояниям, которые им предшествуют, то преимущественно должен образовываться карбокатион (24). В действительности, по-видимому, образуется только этот карбокатион, так как единственным продуктом присоединения является 2-бромпропан (25). Протекающую таким путем реакцию, при которой галоген (или более отрицательная часть какого-либо другого несимметричного реагента) присоединяется к более замещенному атому углерода двойной связи, называют присоединением па Маркавникаву.
Предположение о том, что присоединение ННа! обычно проходит через промежуточный карбокатион, подтверждается образованием из некоторых алкенов аномальных (т. е. неожиданных) продуктов присоединения, которые могли бы возникнуть только в результате перегруппировки карбокатиона (ср. разд. 5.4.2.2), например при взаимодействии 3,3-диметилбутена (26) н HI:
Me	Me Н	Me Н
I	н* I + I г |	|
Me2C—CH=CH2 -------*- Me2C—CH—CH2 -----► Me2C—CH—CH2
I
(26)	вторичный	ожидаемый
карбокатион	продукт
I
Me H	Me H
Me2C—<^Н—СН2 —Ме2С— <^Н— СН2 +	I
I
третичный	неожиданный
карбокатион	продукт
При присоединении ННа! к алкенам в водной среде или в других гндроксилсодержащих растворителях конкурирующей
204
реакцией может быть катализируемая кислотой гидратация (см. разд. 7.4.2) или сольватация. В менее полярных растворителях возможно образование радикалов; в этом случае присоединение идет против правила Марковникова с образованием 1-бром-пропана МеСН2СН2Вг через преимущественное образование радикального интермедиата МеСНСН2Вг (подробнее см. разд. 11.5.1.2).
Электрофильное присоединение к 1-галогеналкенам, например (27), имеет ряд сходных черт с электрофильным замещением- в галогенбензолах (см. разд. 6.7.1.3), Так, в стабилизации промежуточных карбокатионов также участвует электронная пара атома брома, которая контролирует ориентацию присоединения (ср. орто-пара-ориентацию в СеНзВг);
Н	Н
Н+ +	|	Вг-	J
СН2=СН— Вг —Х-> СН2—СН—Вг --------► СН2—СН—Вг
(27)	(28)	В г
|н-
СН2—СН—Вг I
н
СН2—СН=Вг н
(29а)	(296)
Вг СН2—СН—Вг н (30)
Карбокатион (29), в отличие от карбокатиона (28), стабилизирован, поэтому он преимущественно и образуется; фактически единственным продуктом реакции является 1,1-дибромэтан (30). Скорость присоединения, однако, контролируется электроноакцепторным индуктивным эффектом атома галогена. Показано, что алкен (27) присоединяет НВг примерно в 30 раз медленнее, чем этен (ср.: бромбензол атакуется электрофилами медленнее, чем бензол), т. е. карбокатион (29) менее устойчив и образуется медленнее, чем карбокатион (31):
Н	Н
I	I
СН2->СН->Вг	сн2->сн2
(29)	(31)
Присоединение галогеноводородов к простым алкенам идет несколько менее стереоселективно, чем присоединение галогенов, так как гораздо больше зависит от природы алкена и от условий реакции.
205
7.4. Другие реакции присоединения
7.4.1. Присоединение других галогенпроизводных
Межгалоидные соединения присоединяются к алкенам гораздо легче, чем сами галогены; реакционная способность уменьшается в ряду:
BrCl > Вг2 > IC1 > IBr > 12
Присоединение инициируется положительно поляризованным концом (менее электроотрицательный атом галогена) несимметричной молекулы, причем, вероятно, образуется циклический галогенониевый интермедиат. Присоединение I—С1 особенно стереоселективно (анти) из-за легкости образования (и относительной устойчивости по сравнению с карбокатионами) циклических иодониевых ионов. В случае несимметричных алкенов, например 2-метилпропена (32), атом углерода с более объемистыми алкильными группами будет быстрее образовывать карбокатион [т. е. этот атом менее прочно связан с Вг в ионе (33)], а поэтому преимущественно будет атаковаться оставшимся нуклеофилом С1~. Суммарная ориентация присоединения будет, таким образом, подчиняться правилу Маркоцникова; в результате образуется соединение (34):
б+
Вг	D
S+ S-	х++ а\	х	?г
р. _	о /	0+	I
Ме2С = СН2 -—Ме2С~ СН2 — Ме2С - СН2 (►oct	Cl
(32)	(33)	(34)
Полагали, что кислоты типа НО—Hal, например НО6-— Вгб+ (бромная вода), присоединяются точно таким же путем, однако имеются данные, что истинным электрофилом может быть и сам галоген, например Вг2, и что как 1,2-дибромид (35), так и 1,2-бромгидрин (36) могут получаться вследствие конкуренции Вг- и H20s за взаимодействие с промежуточным бромониевым ионом:
Вг I СН2-СН2
Вг (35)
Nu = Br
Н2С = СН2 |Вг2 <Вг+ У\
Н2С—СН2 Nu-)
МцгНгО
Вг I сн2-сн2 он
(36)
206
7.4.2.	Гидратация
Катализируемая кислотой гидратация алкенов является процессом, обратным катализируемой кислотами дегидратации спиртов до алкенов (протекающей по механизму £1; см. разд. 9.2):
Н	+ОН2	ОН
н+ +	| Н2О I	-н+ I
МеСН=СН2 МеСН—СН2	МеСН—СН3	МеСН—СН3
(37)
Образование карбокатионного интермедиата (37) (непосредственно или через л-комплекс), по-видимому, является скоростьлимитирующей стадией, а ориентация присоединения в целом подчиняется правилу Марковникова. Имеются данные о некоторой анги-стереоселективиости, но в этом случае она не очень выражена и зависит от природы алкена и условий реакции.
Кислоты, содержащие слабые нуклеофильные анионы, например HSO< в разбавленной водной H2SC>4, используют в качестве катализаторов, причем их анионы слабо конкурируют с Н2О; эфиры ROSO3H, если даже и образуются, в любом случае будут гидролизоваться до ROH в условиях реакции. Может происходить перегруппировка карбокатионного интермедиата, a также его электрофильное присоединение к еще непротониро-ванному алкену (см. разд. 7.3). Эту реакцию используют в промышленности для превращения алкенов, полученных из продуктов крекинга нефти, в спирты; гидратацию алкенов при этом проводят водяным паром над гетерогенным кислотным катализатором. В условиях кислотного катализа к алкенам могут присоединяться спирты с образованием простых эфиров, а также карбоновые кислоты RCO2H— с образованием сложных эфиров.
Гидратация против правила Марковникова может быть проведена косвенно, путем присоединения В2Н6 (гидроборирование) с последующим окислением полученного триалкилбора (38) щелочным раствором Н2О2:
BzHg	Н2О2
МеСН=СН2 ------*- (МеСН2СН2)3В ---► МеСН2СН2ОН + В(ОН)3
(38)	(39)
Диборан образуется (in situ или отдельно) из NaBH4 и Et2O+—BF3 и, возможно, образует комплекс, подобно мономерному ВНз, с растворителем (эфир), используемым для реакции. ВН3 является кислотой Льюиса и присоединяется к наименее замещенному атому углерода алкена. Суммарный процесс присоединения завершается переносом гидрид-иона к соседнему
207
положительно заряженному атому углерода:
Н—ВН2	н ВН2
ВН3	I	II
МеСН=СН2 ----->- МеСН—СН2 —► МеСН—СН2
(40)
Возможно, что комплекс (40) имеет циклическое строение, так как суммарный процесс присоединения ВН3 в некоторых случаях протекает как сын-стереоселективное присоединение. Первоначально образовавшийся RBH2 реагирует с алкеном с образованием триалкилбора R3B (38). Последующее окисление действием Н2О2 ведет к разрыву связи С—В, в результате чего получается спирт (39). Общим результатом этой гидратации, идущей против правила Марковникова, часто оказывается син-стереоселективный процесс с очень хорошими выходами продуктов.
7.4.3.	Присоединение карбокатионов
Как показано ранее, протонирование алкенов приводит к образованию карбокатионов; в отсутствие других эффективных нуклеофилов (например, Н2О; см. разд. 7.4.1) эти ионы могут действовать как электрофилы по отношению к еще не протонированному алкену (ср. разд. 5.3), например, в реакции с 2-ме-тилпропеном (41):
Ме2С = СН2 === МезС СН^= СМе2 —Ме3С - СН2 -СМе2
(41)	(42)
(43)
СН2 = СМе2	I _н+
+
Ме3С - СН2- СМе2- СН2- СН2- СМе2 Ме3С - СН = СМе2
(45)	(44)
ИТ. р.
Первоначально образовавшийся катион (42) может присоединиться ко второй молекуле 2-метилпропена (41) с образованием нового (димерного) катиона (43). Последний в свою очередь может потерять протон и превратиться в алкен (44) или присоединиться к третьей молекуле алкена и образовать (три-мериый) катион (45) и т. д.
208
Следует отметить, что как протонирование, так и последующее присоединение происходят с образованием наиболее устойчивого катиона.
д-Метилпропен может участвовать в процессе образования высб^ополимерных соединений — катионной полимеризации; однако^ большая часть простых алкенов образует лишь димеры или тримеры. В качестве мономеров в промышленности используют 2-метилпропен (в производстве бутилового каучука) и простые виниловые эфиры ROCH=CH2 (клеящие вещества). Катионная полимеризация часто инициируется катализаторами типа кислот Льюиса, например BF3; необходимо добавление источников протонов, так называемых сокатализаторов, например следов Н2О и т. д. В таких системах полимеризация происходит при низких температурах и обычно протекает очень быстро. Однако гораздо большее число алкенов полимеризуется по пути, индуцируемому радикалами (см. разд. 11.5.1.3).
7.4.4.	Гидроксилирование
Существует ряд реагентов, с помощью которых возможно присоединение двух групп ОН к алкенам. Так, тетраоксид осмия OsO4 присоединяется к алкенам, образуя циклический эфир (47), в котором связи Os—О легко гидролизуются, что приводит к 1,2-диолу (48):
ОН
+ (HO)2OsO2
н
(48) цезо
Из цис-бутена-2 (46а) образуется мезо-1,2-диол (48), т. е. гидроксилирование в целом сын-стереоселективно, как и следовало ожидать в результате разрыва связи Os—О в циклическом эфире (47), являющемся, безусловно, цис-изомером. Недостатком этой реакции как препаративного метода является дороговизна и токсичность OsO4. Однако OsO4 можно использовать в каталитических количествах в сочетании с Н2О2, который окисляет образующуюся осмиевую кислоту (HO)2OsO2 до OsO4.
Щелочной раствор перманганата — реагент, используемый в классическом тесте на ненасыщенные связи, — также может участвовать в стереоселективном сын-присоединении. Полагают, что этот процесс, по аналогии с рассмотренным выше, протекает через циклические (цис) эфиры. Такие эфиры еще не удалось выделить (некоторые из иих обнаружены спектроскопически),
209
но было показано, что использование Мп18О4 приводит к 1,2-дио'-лу [например, (48)], в котором оба атома кислорода являются атомами 18О, т. е. их источником является ион Мп18О4, а не Й2О (растворитель). Это служит подтверждением, что интермедиа-том является марганцевый аналог (47) при условии отсутствия обмена атомов кислорода между Мп'8О4 и Н2О, как и показано в данном случае. Недостатком применения MnOi для гидроксилирования является то, что образующийся 1,2-диол (48) очень чувствителен к дальнейшему окислению под действием МпОО
Пероксикислоты RCOOOH также окисляют алкены, например транс-бутен-2 (466), присоединяя атом кислорода к двойной связи с образованием эпоксида (49):
Эпоксиды, хотя и не заряжены, имеют формальное сходство с циклическими бромониевыми интермедиатами (ср. разд. 7.1), но, в отличие от них, устойчивы и могут быть легко выделены. Однако они подвергаются нуклеофильной атаке в условиях кислотного или основного катализа, образуя 1,2-диолы. В обоих случаях атака атома углерода нуклеофилом будет происходить со стороны, противоположной кислородному мостику в эпоксиде (49). Такая атака будет проходить с обращением конфигурации (ср. разд. 4.4.6):
210
Выяснено, что атакуется только один из двух возможных атомов углерода, причем в эпоксиде (49) и катионе (50) эти атомы разные. Атака другого атома углерода в каждом случае приведет к одному и тому же продукту — мезо- 1,2-диолу (51). Сравнивая конфигурации соединений (51) и (466), можно видеть, что протекает стереоселективное анти-гидроксилирование.
Следовательно, подбирая подходящие реагенты, можно провести син- или анти-гидроксилирование алкенов.
7.4.5.	Гидрирование
Присоединение водорода к ненасыщенным соединениям — одна из самых обычных и важных реакций присоединения. Именно поэтому она и рассматривается в этом разделе, а не среди радикальных реакций. Прямое присоединение водорода обычно проводят в условиях гетерогенного катализа тонкоиз-мельченными металлами, такими как Ni, Pt, Pd, Ru, Rh. Атомы металла, расположенные на поверхности кристалла, в отличие от атомов внутри кристалла, имеют «нескомпенсированные валентности», направленные в стороны от поверхности. В результате этого как алкены (например, этеи), так и водород реагируют с поверхностью металлического катализатора, например никеля, экзотермически и обратимо. Взаимодействие алкенов с металлом осуществляется с помощью л-электроиов, тогда как алканы не могут адсорбироваться подобным образом. В молекуле водорода нет л-электронов, и при его адсорбции должно происходить заметное ослабление его <т-связи, хотя и необязательно с полным разрывом связи и образованием Н •.
Большое значение, безусловно, имеет расположение атомов металла на поверхности кристалла, вследствие чего одна поверхность кристалла обладает каталитическими свойствами, а другая не обладает. Это зависит от того, насколько близко расстояния между атомами металла соответствуют длинам связей в молекулах алкена и водорода. Показано, что только относительно небольшая часть общей поверхности металла обладает каталитической активностью и образует так называемые активные центры. Эти центры адсорбируют алкен и немедленно десорбируют образовавшийся алкан, освобождаясь таким путем для дальнейшей адсорбции алкена.
В соответствии с тем, что молекулы алкена «выстраиваются» на поверхности катализатора и учитывая возможное их сближение с активированными молекулами водорода, адсорбированными на поверхности металла, можно предполагать, что гидрирование протекает син-стереоселективно. Это действительно так, и такое гидрирование используют как для установления
211
структуры, так и для целей синтеза, например:
Н Н Н СМез
Ме3СС ее ССМе3--------—-	С = С	V - с
°	* катализатор /	\	ь — и
Линдлара Ме3С' ЧМез Me3CZ \н
(52)	(53)
Алкины часто могут быть селективно восстановлены до алкенов при использовании катализатора Линдлара [Pd на СаСОз, частично «отравленный» РЬ(ОАс)г]. В этом случае процесс также протекает син-стереоселективно, несмотря на то что образуется более пространственно затрудненный, термодинамически менее устойчивый цис-алкен (52), а не транс-изомер (53).
син-Стереоселективность не всегда достигает 100 %, поскольку она очень зависит от условий. Фактический механизм гидрирования был детально изучен с применением D2 и оказался очень сложным; наряду с другими фактами, показано, что в алкенах происходит водородный обмен. Установлено, что два атома водорода не присоединяются к алкену одновременно, вследствие чего становится понятной и причина отсутствия 100 %-й син-стереоселективности. Выяснено также, что цис-алкены, например цис-бутен-2, обычно гидрируются гораздо быстрее, чем транс-алкены, например транс-бутен-2. Скорость гидрирования уменьшается с увеличением степени замещения в алкене.
Предложены гомогенные катализаторы гидрирования, например ЁЬС1(РЬ3Р)з, растворимые в реакционной смеси. Полагают, что такие катализаторы переносят атом водорода к алкену с помощью промежуточного гидрида металла. Эти катализаторы также обеспечивают значительную син-сТереоселективность в процессе присоединения водорода.
7.4.6.	Озонолиз
Присоединение озона к алкенам с образованием озонидов и последующее их расщепление с образованием карбонильных соединений хорошо изучено:
, Оз Г ^21 H2/Pt	,
R2C=CR2 —►	4-	-—> r2c=o 4- o=cr2 + H2O
L Оз J
озонид
Однако структура озонида долгое время была предметом споров. Легко представить себе 1,3-диполярное присоединение озо
212
на, инициируемое электрофильным концом его молекулы. Действительно, из продуктов реакции озона с алкеном (54) при —70 °C был выделен кристаллический аддукт (55):
(57)
Структура этого интермедиата была подтверждена данными ЯМР-спектроскопии и восстановлением его натрием в жидком аммиаке до 1,2-диола (56). Трудно сказать, каким образом каталитическое восстановление интермедиата (55) может привести непосредственно к нормальному карбонильному конечному продукту, однако было найдено, что при повышении температуры он превращается в соединение (57), которое может давать (и действительно, это так) нормальные карбонильные продукты при каталитическом восстановлении.
Соединение (55) называют мольозонидом, а (57) — нормальным озонидом. Превращение (55) в (57), как полагают, проходит следующим путем:
(58)
Р —* °	9 =	—* R2C^cr2
R2C-CR2 я2с сд2 ^0-0	0-0
(55а)	(58)	(59)	(59)	(57а)
Предполагают, что озонид (55а) распадается на карбонильное соединение (58) и пероксицвиттер-нон (59), причем последний активно вступает в реакцию 1,3-диполярного присоединения с первым и образует озонид (57а). Альтернативные реакции цвиттер-иона (59), включающие полимеризацию, приводят к «аномальным» продуктам, которые иногда образуются в ходе присоединения к озониду. Если озонолиз проводится в МеОН (растворитель), то ион (59) «улавливается», как только он
213
образуется, благодаря его превращению в относительно устойчивый а-гидропероксиэфир (60). Тем самым предотвращается взаимодействие цвиттер-иона (59) с кетоном (58) с образованием озонида, и оба эти соединения могут быть выделены и идентифицированы. При проведении озонолиза с препаративными целями важно разрушить озонид (57а), используя подходящий восстановительный процесс, иначе образуется Н2Ог (как это и происходит, например, при разложении озонидов водой), который далее окисляет чувствительные к окислению карбонильные соединения, например альдегиды, в карбоновые кислоты.
МеО—CR2—О—ОН (60)
Предложенный выше путь удовлетворительно объясняет основной путь озонолиза, но этого недостаточно для объяснения наблюдаемой стереохимии этой реакции. Например, транс (или цис) -алкены часто образуют, как и следовало ожидать, смеси цис- и транс-озонидов, тогда как транс-алкен (54) дает только транс-озонид (57). Этот пример требует высокой степени стереоселективности как при разложении озонида (55) до альдегида и пероксицвиттер-иона, так и при их последующей рекомбинации в озонид (57). Это требование не согласуется безоговорочно с обсужденным выше механизмом.
Озонолиз ранее применяли для определения положения двойной связи (или связей) в ненасыщенных соединениях неизвестного строения (в основном из-за простоты идентификации образующихся карбонильных продуктов), но сейчас этот метод вытесняется физическими методами и прежде всего ЯМР-спек-троскопией. Бензол образует триозонид, который разлагается с образованием трех молекул глиоксаля ОНС—СНО; это единственная реакция бензола, которая позволяет предположить, что он может содержать три «реальные» двойные связи в структуре Кекуле! Алкины также подвергаются озонолизу, но с гораздо меньшей скоростью, чем алкены.
Для расщепления алкенов с препаративными целями лучше использовать следующую последовательность реакций:
МПО4 но он . или 1	|	. NaIC>4
r2c=cr'2-^- r2c—cr'-------->- R2C=O + O^CR2
Данный процесс может быть проведен в одну стадию, если использовать метапериодат натрия, который разлагает 1,2-диол в количестве, достаточном для реокисления только каталитических количеств MnOi нли OsO^ необходимых на быстрой первой стадии.
1,3-Диполярное присоединение к алкенам происходит при использовании не только озона, но и других частиц; часто при этом образуются более устойчивые продукты, чем лабильные
214
мольозониды (55). Например, присоединение азидов (61) приводит к дигидротриазолам (62):
1,3-Диполярное присоединение к алкенам рассмотрено в разд. 12.4.2.
7.5. Присоединение к сопряженным диенам
Сопряженные диены, например бутадиен (63), несколько более устойчивы, чем аналогичные диены, в которых двойные связи не сопряжены (см. разд. 1.3.5). Это отражается на их тепло-тах гидрирования (см. разд. 1.3.7), хотя энергия делокализации, обусловленная образованием сопряженной системы л-орбита-лей, составляет только 17 кДж/моль (4 ккал/моль). Тем не менее сопряженные диены вступают в реакции присоединения несколько легче, чем несопряженные диены. Это объясняется тем, что промежуточные соединения (64) н (65) (и, что еще более важно, предшествующие нм переходные состояния), возникающие в результате первоначальной атаки электрофилами и радикалами соответственно, имеют аллильное строение (ср. разд. 5.2 н 11.4) и стабилизируются путем делокализации в гораздо большей степени, чем исходные диены. Эти интермедиаты более стабильны, чем соответствующие интермедиаты (66) и (67), полученные при аналогичном присоединении к простым алкенам:
Вг	Вг
Вг2 I +	I	+
сн2=сн—сн=сн2 —сн2—сн—сн=сн2	сн2—сн=сн—сн2
(63)	(64)
2|вГ2
Вг	Вг
^н2—сн—сн=сн2	сн2—сн=сн—сн2
(65)
•	ВГ2	ВГ2
СН2—СН2 -*—2— СН2=СН2 —Н2С—сн2
Вг	Вг+
(67)	(66)
1 — электрофильное присоединение; 2 — радикальное присоединение
215
7.5.1.	Электрофильное присоединение
Во всех случаях на первой стадии происходит атака концевого атома углерода сопряженной системы, иначе не мог бы образоваться промежуточный карбокатион (64), стабилизированный путем делокализации заряда. Вследствие такой стабилизации образуется именно промежуточный карбокатион, а не циклический бромониевый ион [ср. соединение (66)]. Реакция завершается нуклеофильной атакой Вт- соединения (64) и может происходить либо по атому С-2 (1,2-присоединение) (а) с образованием продукта (68), либо по атому С-4 (1,4-присоединение) (б) с образованием продукта (69):
S+	6+
(64) ВгСН2 - СН—СН—СН2 (а) Вт	Вт (б)
а Л Л
ВгСН2 - СН - СН = сн2 Вг
(68)
ВгСН2 -СН® СН- СН2Вг (69)
2-1, 2-присоединение; б - 1, ^присоединение
Обычно получаются оба продукта, но их относительные количества очень сильно зависят от условий реакции, например от температуры. Так, при взаимодействии НС1 с бутадиеном (63) при —60 °C образуется только. 20—25 % 1,4-аддукта (остальное— 1,2-аддукт), тогда как при более высоких температурах образуется « 75 % 1,4-аддукта. Полагают, что бромирование при низких температурах контролируется кинетически (ср. разд. 2.2.3), и в этом случае 1,2-аддукт образуется быстрее, чем 1,4-аддукт. При более высокой температуре и (или) более продолжительном времени реакции действует равновесный, или тер* модинамический, контроль; основным продуктом в этом случае становится термодинамически более устойчивый 1,4-аддукт. Это следует из того факта, что при более высоких температурах как чистый 1,2-, так и чистый 1,4-аддукт могут быть превращены при данных условиях реакции в одну и ту же равновесную смесь 1,2-и 1,4-аддуктов. При этом 1,4-присоединению благоприятствует увеличение полярности растворителя.
Существует лишь возможность того, что присоединение брома к бутадиену с образованием 1,4-аддукта может происходить через ненапряженный пятичленный циклический бромониевый иои (70). Это могло бы привести при нуклеофильном его рас
216
щеплении под действием Вг- к Zfuc-дибромиду (71):
НС=СН	СН2Вг
/	\ Вг-	I
н2с/ 'сн2 ----► нс=сн нс=сн
\/	I I	I
Вг+	ВгН2С СН2Вг	СН2Вг
(70)	(71)	(72)
Однако фактически получается только транс- 1,4-дибромид (72). Таким образом, частицы, подобные (70), не могут быть получены, и, вероятно, обычным промежуточным соединением является ионная пара (73), включающая делокализованный карбокатион. Взаимопревращения 1,2- и 1,4-аддуктов (68) и (69) соответственно могут проходить также через интермедиат (73):
Вг	8г"
I	6+	6+
сн2 - сн - сн = сн2	сн2-^сн—сн - сн2
Вг (68)	Вг (73)
Вг I сн2- сн = сн- сн2
В случае несимметричных диенов (74а) и (746) и несимметричных аддуктов возникает проблема ориентации присоединения (ср. разд. 7.3). Первоначальная атака также происходит по концевому атому углерода сопряженной системы с образованием делокализованного аллильного интермедиата, однако преимущественно будет атаковаться тот концевой атом углерода, который будет давать более устойчивый из двух возможных катионов, например (75), а не (76), и (77), а не (78):
Н	Н I
♦ I	♦	I
МеСН=СН—СН—СН2 -<—>• МеСН—СН=СН—СН2 J (75)
Н +
МеСН=СН—СН=СН2 (74а)
I + хн+
4 [Н	Нт
I	I	+
МеСН— СН—СН=СН2	МеСН—СН=СН—CH2J (76)
217
H Me
I I
,CH2—C—CH=CH2 +
H Me
I I CH2—C=CH—CH2
(77)
Me
I
CH2=C— CH=CH2 (746)
I . xh+
Me H
CH2=C—CH—CH2
Me
♦ I
CH2—C=CH—
(78)
Для диенов известны также реакции каталитического гидрирования (1,2- и 1,4-), эпоксидирования (только 1,2- и более медленно, чем соответствующие простые алкены); очень редко диены подвергаются гидратации.
7.5.2.	Реакция Цильса — Альдера
Эта реакция, классическим примером которой является взаимодействие бутадиена (63) и малеинового ангидрида (79)
О	О
(63) (79)
включает 1,4-присоединение алкена к сопряженному диену. Реакция обычно протекает легко и быстро и приводит к образованию углерод-углеродной связи. Диен должен реагировать в цисоидной (80), а не в трансоидной (81) конформации:
(81)	(80)	(82)
Показано, что циклические диены, которые находятся в цисоидной конформации, например диен (82), реагируют гораздо быстрее, чем ациклические диены, в которых требуемая конформация должна быть достигнута путем вращения вокруг простой связи (трансоидная конформация обычно более устойчива). Так,
218
циклопентадиеи (82) достаточно реакционноспособен, и две молекулы такого диена могут дать трициклический димер. Эта реакция, подобно большинству реакций Дильса — Альдера, обратима.
Выяснено, что эти реакции активируются электронодоиор-ными заместителями в диене и электроноакцепторными заместителями в алкене — диенофиле. Реакции с простыми незамещенными алкенами обычно идут с трудом. Например, бутадиен (63) реагирует с этеном только под давлением при 200 °C, но даже в этих условиях выход продукта реакции составляет лишь 18 %, тогда как при реакции с малеиновым ангидридом (79) в бензоле при 15°C выход продукта составляет « 100 %. В качестве диенофилов часто используют циклогексадиен-1,4-диои (п-бен-зохинон) (83), пропеиаль (акролеин) (84), тетрациаиоэтен (85), бензин (86) (ср. разд. 6.10.3), а также некоторые замещенные алкины, например диэтилбутиидиоат-1,4 («ацетилендикарбоно-вый эфир») (87):
(83)	(84)	(85)
CO2Et
А  С
CO2Et
(87)
Эта реакция чувствительна также к стерическим эффектам; например, из трех изомеров 1,4-дифенилбутадиена (88а) — (88в) только транс-транс-форма (88а) вступает в реакцию Дильса — Альдера:
С Ph
Ph
(88а)	(886)
транс-транс	транс-цис
(88в) цис-цис
Показано, что на протекание реакций Дильса — Альдера незначительно влияет добавление радикалов (ср. разд. 11.1) или изменение полярности растворителя; следовательно, мало вероятно, чтобы они протекали с участием радикалов или промежуточных соединений в виде ионных пар. Найдено, что эти реакции протекают син-стереоселективио по отношению как к диену, так и к диенофилу. По-видимому, при этом наблюдается
219
согласованный механизм, в котором образование связи и расщепление связи происходят более или менее одновременно, хотя и необязательно (до определенной степени) в одном и том же переходном состоянии. Это циклическое переходное состояние является плоским, имеет ароматический характер и стабилизируется вследствие циклического перекрывания шести р-орбита-лей диена и диенофила. Такие перициклические реакции подробно рассмотрены в разд. 12.1.
7.6. Нуклеофильное присоединение
Как уже отмечалось, введение электроиоакцепторных групп в ароматическое ядро приводит к ингибированию электрофильного замещения (см. разд. 6.7.1). То же самое справедливо и для реакций присоединения к алкенам. Так, уже было показано, что введение электроноакцепторных групп ингибирует присоединение, инициируемое электрофилами (см. разд. 7.2), однако те же самые группы активируют присоединение, инициируемое нуклеофилами. Эффективность обоих процессов уменьшается в следующем ряду заместителей:
СНО > COR > CO2R > CN > NO2
Аналогичное влияние оказывают такие заместители, как SOR, SO2R и F. Эти заместители действуют, уменьшая плотность л-электронов на атомах углерода алкена и облегчая тем самым подход нуклеофила Y~ и, что особенно важно, способствуя делокализации отрицательного заряда на образующемся карбанионном интермедиате, например (89) и (90). Эта делокализация, как правило, еще более эффективна, когда она включает мезомерную делокализацию, как в интермедиате (89), а не только индуктивный электроноакцепторный эффект, как в интермедиате (90):
Ориентация присоединения несимметричного реагента HY или XY к несимметричному замещенному алкену должна определяться образованием более стабилизированного карбаниона
220
(ср. предпочтительное образование более стабилизированного карбокатиона при электрофильном присоединении; разд. 7.3). Стереоселективность таких реакций нуклеофильного присоединения к ациклическим алкенам изучена мало. Нуклеофильное присоединение происходит также и с подходящими алкинами, причем более легко, чем с соответствующими алкенами.
Ряд таких реакций нуклеофильного присоединения представляет значительный интерес для синтеза.
7.6.1.	Цианэтилирование
Одной из важных реакций является реакция с участием цианозамещенного этена (акрилонитрил) (91). Атака У- или У по незамещенному атому углерода акрилонитрила с последующим отрывом протона от молекулы растворителя приводит к присоединению 2-циаиоэтильной группы к исходному нуклеофилу:
PhOH	ROH
PhOCH2CH2CN -«---	----► ROCH2CH2CN
rnh2 ~ CH2=CHCN — H2S
RNHCH2CH2CN	► HSCH2CH2CN
(91)
Этот процесс называют цианэтилированием. Его часто проводят в присутствии основания, чтобы превратить НУ в более сильный нуклеофил У-. Эта реакция позволяет ввести в молекулу три атома углерода, причем концевая циаиогруппа может быть модифицирована восстановлением, гидролизом и т. д. для дальнейшего использования в синтезе. Присоединение У-, например -NHz, ведет к образованию карбаниона YCH2CHCN, который в отсутствие доноров протона может присоединиться к следующей молекуле акрилонитрила, что может привести в результате многократного повторения к анионной полимеризации (ср. разд. 8.4.5).
7.6.2.	Реакция Михаэля
Реакцию, в которой нуклеофил, атакующий замещеииый ал-кеи, является карбанионом (ср. разд. 10.5), называют реакцией Михаэля. Она представляет собой общий метод образования углерод-углеродной связи, например:
EtO"	EtOH
R2CH-CH0 5=* R2C-CHO^=£R2C-СНО +EtO~
*£й2 Генсы £н2сн2сы
(91)
221
Реакция ускоряется различными основаниями, используемыми только в каталитических количествах, под действием которых генерируется карбанион /92). Реакция обратима; ее скоростьлимитирующей стадией считают образование углерод-углеродной связи, т. е. реакцию .карбаниона (92) с замещенным алкеном (91). В ней может быть использовано большое число различных замещенных алкенов и карбанионов. Наиболее типичные карбанионы — это, возможно, те, что образуются из CH2(CO2Et)2 (см. ниже), МеСОСНгСОгЕ!, МССНгСОгЕЕ RCH2NO2 и т. д. Во многих реакциях Михаэля в качестве замещенного алкена используют соединения, содержащие группировку С=С—С=О.
7.6.3.	Присоединение к системе связей
С=С—С=О
К числу наиболее типичных заместителей, «активирующих» алкен для нуклеофильной атаки, относится группа С=О в таких а,|3-ненасыщенных соединениях, как RCH=CHCHO, RCH= = CHCOR', RCH = CHCO2Et и т. д. Поскольку карбонильная группа в таких соединениях сама может подвергаться нуклеофильной атаке (ср. разд. 7.6.3), возникает вопрос, будет ли преобладать присоединение по связи С=С или С=О или 1,4-присоединение по системе С=С—С=О. Действительно, последний тип присоединения [см. формулу (93)] при применении, например, реактива Гриньяра обычно приводит к тому же продукту [95], который можно было получить при присоединении по связи С=С, из-за таутомерного превращения первоначально образующегося енола (94):
R2C=CH—С=О
Ph R II. н+
R2C—СН=С-О- MgBr > п 2'-*
(93)
Ph R
R2C—СН=С—ОН
Ph	R
I	I
R2C—СН—с=о
н
(94)
(95)
Между прочим, 1,4-электрофильное присоединение (например, НВг) по той же самой причине также дает С=С-аддукт (97) и может формально рассматриваться как катализируемое
222
кислотами присоединение нуклеофила Вг- к аддукту (96):
R	R
I Н+	|	Вг-
R2C=CH—С=О	r2c—сн=с—он ------►
(96)
Вг R	Вг R
—> R2i—СН=С—ОН	R2C—СН—С=О
н
(97)
Менее сильные нуклеофилы, такие как ROH, также могут участвовать в 1,4-присоединении в условиях кислотного катализа.
Будет ли нуклеофильное присоединение протекать преимущественно как 1,4-присоединение или же по группе С=О, зависит от того, обратима ли данная реакция или нет. Если она обратима, тогда образование продукта контролируется термодинамически (равновесно; ср. разд. 2.2.3) и преобладающим будет 1,4-присоединение. Это связано с тем, что С=С-аддукт (98), получаемый в ходе 1,4-присоединения, термодинамически более устойчив, чем С=О-аддукт (99), поскольку первый содержит остаточную л-связь группы С=О, а она сильнее остаточной л-связн группы С=С:
(98)
Y
R2C=CH—С—ОН
R (99)
Стернческое затруднение иа одном участке молекулы может сильно активировать присоединение на другом ее участке. Например, было показано, что PhCH=CHCHO почти на 100 % присоединяет PhMgBr к группе С=О, тогда как в случае соединения PhCH=CHCOCMe3 тот же реагент почти на 100 % присоединяется к С=С-связи. Это также отражает снижение «карбонильной» активности С=О-группы в ряду альдегид > кетон > эфир (ср. разд. 8.1), приводящее к возрастанию доли С=С-присоединеиия.
Амины, тиолы, -ОН (см. разд. 8.4.5) и т. д. также присоединяются к p-углеродному атому а,Р-ненасыщенных соединений и сложных эфиров, ио наиболее важные реакции соединений, со-держащих группировку С=С—С=О, — это реакции Михаэля с карбанионами; в этих реакциях образуются углерод-углеродные
223
связи. Хорошим примером является синтез 1,1-диметилцикло-гександиона-3,5 (димедон) (104) из 2-метилпентен-2-она-4 (окись мезитила) (100) и карбаниона _СН (CO2Et)2:
О	О
Ме^Лнз £21 Мез^'^Нз 2°S.
"CHCO2Et	4CHCO2Et
CO2Et	CO2Et
О // H2C - с Ме2с( (^СН2 НС - С - OEt I ею2с о
(100)	(101)
0	/9
H2/C-<f _____ Нгр-С
Ме2Сч СН ► Ме2С £н2
Н2С —С	н2с—с
1.Гидролиз
2. Декарбоксилирование
(104а)	(104)
(102) 1_-ои
’ О
//
н2с-с
Ме2С СН2
НС - С
1
EtO2C и
(ЮЗ)
Собственно реакция Михаэля завершается образованием аддукта (101), ио его обработка основанием (~OEt) приводит к карбаниону (102), который в свою очередь может атаковать карбонильный атом углерода одной из CO2Et-rpynn. Поскольку “OEt — хорошая уходящая группа, то она отщепляется и в результате циклизации образуется соединение (ЮЗ), что напоминает реакцию Дикмана (см. разд. 8.4.8). Гидролиз и декарбоксилирование оставшейся СО2Е(-группы приводят затем к желаемому конечному продукту (104), который на х 100 % существует в енольной форме (104а).
Димедон является ценным реагентом для избирательной идентификации и разделения альдегидов и кетонов, так как он легко образует производные (105) с альдегидами, но ие с кетонами. Эта избирательность, несомненно, вызвана главным образом стерическими причинами,
224
Глава 8
НУКЛЕОФИЛЬНОЕ ПРИСОЕДИНЕНИЕ ПО СВЯЗИ С=О
8.1.	Строение и реакционная способность............................227
8.2.	Простые реакции присоединения.................................230
8.2.1.	Гидратация..............................................230
8.2.2.	Присоединение	спиртов...................................232
8.2.3.	Присоединение	тиолов....................................234
8.2.4.	Присоединение	циановодорода.............................235
8.2.5.	Присоединение	нона HSO^"	и других анионов...............236
8.2.6.	Реакции с участием гидрид-ионов.........................237
8.2.6.1.	Ионы комплексных гидридов металлов...............238
8.2.6.2.	Реакция Меервейна — Поиидорфа....................239
8.2.6.3.	Реакция Канниццаро...............................240
8.2.7.	Реакции с участием электронов...........................241
8.3.	Реакции присоединения — отщепления............................243
8.3.1.	Реакции с производными аммиака .........................244
8.4.	Присоединение нуклеофилов с углеродным центром................246
8.4.1.	Взаимодействие с реактивами Гриньяра и другими металлор-
ганическими соединениями.................................246
8.4.2.	Присоединение ацетилид-ионов..........................  248
8.4.3.	Реакции с другими анионами..............................248
8.4.4.	Альдольная конденсация................................  249
8.4.5.	Присоединение ннтроалканов..............................252
8.4.6.	Реакция Перкина.........................................252
8.4.7.	Реакции Кнёвенагеля и Штоббе .........................  253
8.4.8.	Сложноэфириая конденсация Кляйзена....................  254
8.4.9.	Бензоиновая конденсация ............................... 257
8.4.10.	Бензиловая перегруппировка.............................259
8.4.11.	Реакция Виттига.......................?................260
8.5.	Стереоселективиость реакций присоединения к карбонильным соединениям ............................................................261
8.6.	Реакции присоединения— отщепления производных карбоновых кислот ...............................................................263
8.6.1.	Присоединение реактивов Гриньяра и других металлорганиче-ских соединений ...............................................265
8.6.2.	Реакции с другими нуклеофильными реагентами............266
8.6.3.	Реакции, катализируемые	кислотами.......................268
8.7.	Присоединение по связи C = N..................................272
Карбонильные соединения обладают дипольным моментом р, так как атом кислорода группы С=О является более электроотрицательным, чем атом углерода:
О
II zc^ Me ЧМе
Н = 2,ЗД
И = 2,8Д
8 П. Сайкс
225
С -> О-Индуктивный эффект, характерный для связи, соединяющей эти два атома, сказывается и на более легко поляризуемых л-электронах, так что карбонильную группу лучше всего представить гибридной структурой (1):
+ -	6+ в- Р
R2C = О *► R2C - О т. е. R2C^O = R2C-*>0 (1а)	(16)	(1аб)
По аналогии со связью С=С (см. разд. 7.1), можно ожидать, что связь С=О будет участвовать в реакциях присоединения, но если полярная атака связи С=С обычно начинается только электрофилами, то атака связи С=О из-за ее полярной природы может начинаться либо электрофильной атакой Х-+ или X по атому кислорода, либо нуклеофильной атакой У- или У : по атому углерода (радикальные реакции присоединения к карбонильным соединениям очень редки). Оказалось, что первичная электрофильная атака атома кислорода имеет небольшое значение, за исключением тех реакций, в которых электрофилом является кислота (или кислота Льюиса), когда быстрое обратимое протонирование может предшествовать медленной, скоростьлимитирующей атаке нуклеофилом атома углерода, что и завершает присоединение; присоединение в этом случае катализируется кислотой.
Протонирование усиливает положительный характер карбонильного атома углерода [(2)]
н+	+	+
r2C=O:	R2C=OH -*-* R2C—ОН
и таким путем облегчает нуклеофильную атаку по этому атому. Подобная активация, хотя и в меньшей степени, может быть следствием образования водородных связей кислоты (3) или даже молекул гидроксилсодержащего растворителя (4) с атомом кислорода карбонильной группы:
6 +	3 +
R2C = О	r2 с = о-
.	’ ч 6-/R
Н-А®“	Н-0
(3)	(4)
В отсутствие такой активации слабые нуклеофилы, например Н2О :, могут реагировать только очень медленно, а сильные нуклеофилы, например _С = N, не требуют активации вообще. Присоединение могут катализировать и основания, которые превращают слабый нуклеофил НУ в более сильный нуклеофил У-(например, HCN основание->-_CN). Наконец, хотя кислоты
226
HY
^R2C -0’2 Й2С - ОН + Y~
могут активировать карбонильный атом углерода для нуклеофильной атаки, одновременно оии могут уменьшать эффективную концентрацию нуклеофила, например:
"CN4-HA —► HCN4-A"
RNH2 + НА —► RNH3 + А'
Таким образом, для многих реакций присоединения к карбонильным соединениям существуют оптимальные значения pH; это важно учитывать в препаративной практике.
8.1.	Строение и реакционная способность
В обычных реакциях нуклеофильного присоединения, в которых скоростьлимитирующей стадией является атака нуклеофила У-, положительный характер карбонильного атома углерода уменьшается при переходе от исходного соединения (5) к переходному состоянию (6) :
6+	4-Y-f «-	6-
R2C =0	R2C—'О

(5)	(6)
Следовательно, можно ожидать, что скорость присоединения должна уменьшаться при введении в молекулу карбонильного соединения электронодонориых групп и увеличиваться при введении электроиоакцепториых групп. Так, показано, что скорость присоединения уменьшается в следующем ряду*:
Н\	R.	R.
\з=о > \з=О > ^С=О Н/	Н/	RZ
Соединения, у которых группа С=0 сопряжена со связью С=С (в этом случае конкурирующей реакцией может быть 1,4-присоедииение; ср. разд. 7.6.1) или с бензольным кольцом, также более медленно вступают в реакции присоединения, чем их насыщенные аналоги. Это связано с нарушением стабилизации (путем делокализации) при переходе от исходных
* Поскольку на первой скоростьлимитирующей стадии карбонильные соединения подвергаются атаке со стороны нуклеофильного агента, объективная оценка и$ реакционной способности требует учета доступности (по энергии) их низших свободных молекулярных орбиталей. Например, по данным ЭТС, доступность НСМО резко снижается в ряду: Н2С = О > СНзСН = О > > (СН3)гС=О; значения их электронного сродства соответственно равны: —0,86, —1,19, —1,51 эВ. (Подробное обсуждение этого вопроса и терминах граничных орбиталей см. и кн.: Травень В. Ф. Электронная структура и свойства органических молекул. М.: Химии, 1989, Разд. 8.5.3.)—Прим. ред.
8*
227
карбоксильных соединений (7) и (8) к аддуктам (9) и (10) и предшествующим им переходным состояниям:
R + R	f
R2C = СН - С = О -R2C - СН = С - 0“ J -R2C = СН - С - 0"
Y
(7)
О)
Y (8)	(10)
В приведенных выше примерах стерические эффекты, как и электронные, могли бы влиять на относительные скорости реакций. Влияние электронных эффектов заместителей видно иа примере замещенных бензальдегидов (11). Для них относительные скорости реакций уменьшаются в следующем ряду заместителей X:
Н
X —С=О (11) X = NO2, Н, ОМе NO2 > Н > ОМе
Что касается стерических эффектов, то минимум энергии обеспечивается при подходе нуклеофила к атому углерода карбонильной группы сверху или снизу плоскости, в которой расположена карбонильная группа, причем этот подход, вероятно, осуществляется немного «с тыла» [см. формулу (12)] из-за кулоновского отталкивания между подходящим нуклеофилом и высокой электронной плотностью на карбонильном атоме кислорода *:
(12)
* Обсуждаемая схема взаимодействия нуклеофила с фрагментом /С=О и роль орбитального контроля в этом взаимодействии блестяще доказаны иеэмпирическими квантовохимическими расчетами модельной реакции между гидрид-ионом и формальдегидом; см., например: Минкин В. И., Симкин Б. Я., Миняев Р. М. Квантовая химия органических соединений. Механизмы реакций. М.: «Химия», 1986. Разд. 4.1. — Прим. ред.
228
При увеличении объема групп R реакция замедляется, так как зр2-гибридизованиый атом углерода в исходном соединении (угол R—С—R « 120°) превращается в зр3-гибридизоваииый атом углерода в аддукте и в предшествующем ему переходном состоянии (угол R—С—R » 109°). Группы R по мере протекания реакции сближаются, переходное состояние становится пространственно более затрудненным, уровень его энергии увеличивается, а скорость реакции уменьшается. Наблюдаемое снижение скоростей реакции в ряду Н2С=О > RHC=O > > R2C=O определяется, следовательно, как электронными, так и стерическими эффектами. По аналогичной причине увеличение размера нуклеофила при взаимодействии с данным карбонильным соединением также может привести к уменьшению скорости реакции.
Кроме реакций с сильнейшими нуклеофилами, например А1Щ (см. разд. 8.2.6.1), RMgBr (см. разд. 8.4.1), многие реакции присоединения к карбонильным соединениям являются обратимыми. Факторы, от которых зависит скорость реакции, влияют таким же образом и на константу равновесия К. Это объясняется тем, что строение переходного состояния в простых реакциях присоединения гораздо ближе к строению аддукта, чем к строению исходного карбонильного соединения. Влияние стерических и электронных факторов на константы равновесия реакций различных карбонильных соединений с HCN (см. разд. 8.2.4) видно из приведенных ниже данных:
	К	К	
GH3cHo	Очень велика	СН3СОСН2СН3	38
n-O2NCeH«CHO	1420	СвН5СОСН3	0,8
CeH5CHO	210	CeHsCOCeH5	Очень мала
n-MeOCeH4CHO	32		
Сильно затрудненные кетоны, например МезССОСМез, могут вообще ие реагировать с нуклеофилами, за исключением, может быть, очень небольшого числа высоко реакционноспособных нуклеофилов.
Для данного карбонильного соединения значение К зависит от размеров нуклеофила; так, в реакции присоединения очень объемистого бисульфит-аииоиа SjOl" (см. разд. 8.2.5) к (МеСН2)2С = О К = 4-10-4, тогда как в реакции присоединения HCN (см. выше) к очень похожему кетону МеСН2СОМе К = 38. Значение К зависит также от природы того атома в нуклеофиле, который атакует карбонильный атом углерода, и от связи, которая при этом образуется. Так, значения К в реакциях приведенных ниже нуклеофилов с одним и тем же карбонильным соединением уменьшаются в ряду:
"CN > RNH2 > ROH
229
Ниже подробнее рассмотрены некоторые наиболее характерные реакции присоединения. Они разделены на три основные группы: простые реакции присоединения, реакции присоединения — отщепления и реакции присоединения углеродных нуклеофилов.
8.2.	Простые реакции присоединения
8.2.1.	Гидратация
Многие карбонильные соединения подвергаются в водном растворе обратимой гидратации:
R2C=O -f- Н2О ч *. R2C(OH)2
Значения К при 20 °C для Н2С=О, МеНС=О и Ме2С=О равны 2-Ю3, 1,4 и 2-Ю-3 соответственно; этот ряд отражает постепенно нарастающее влияние электронодонорных групп. Легкая обратимость гидратации проявляется в том, что Н2С = О может быть выделен путем перегонки из его водного раствора. Динамическое равновесие действительно устанавливается в случае Ме2С=О, хотя концентрация образующегося гидрата очень мала (его присутствие обнаружено, однако, в замороженных смесях Ме2СО—Н2О); это показано в опытах с Н28О:
О
II
Ме2С + Н]’О
,8ОН I Ме2С—ОН
i«O
МбгС Н2О
(13)
Включение 18О в кетоны в этих условиях, т. е. при pH 7, происходит с большим трудом, но в присутствии следов кислоты или основания оно идет [через гидрат (13)] очень быстро. Тот факт, что карбонильное соединение гидратировано, не влияет иа необратимые реакции нуклеофильного присоединения. Одиако гидратация может влиять на положение равновесия в обратимых реакциях присоединения, а также на скорость таких реакций, поскольку эффективная концентрация свободного карбонильного соединения при гидратации, естественно, уменьшается.
Показано, что гидратация протекает в условиях как общего кислотного, так и общего основного катализа (см. разд. 3.3), т. е. скоростьлимитирующая стадия включает или протонирование карбонильного соединения [общий кислотный катализ; см. переходное состояние (14)], или превращение Н2О в более силь-
230
ный нуклеофил ~ОН [общий основный катализ; см. переходное состояние (15)].
Нх хн О
R2C = O
медленно
Н- А
ГН\5уН О
i
r2c
^0
Н—А6-
(14)
/0Н2 r2c хон
/ОН r2c
\)Н
В-- Нч /Н О медленно
R2C = O *
б+
В—Н\ /Н О
r2cx ^'об-
ч20
/ОН
R2C х0"
(15)
В отличие от Ме2СО, Н2СО гидратируется очень быстро при pH 7, т. е. его более положительно заряженный карбонильный атом углерода атакуется Н2О: без предварительного протонирования карбонильного атома кислорода; тем не менее при pH 4 или 11 он гидратируется гораздо быстрее.
Электронодонорные заместители ингибируют образование гидрата, тогда как электроиоакцрпторные заместители активируют его образование. Так, для гидратации альдегида (16) К = = 2,7-104, и этот альдегид (трихлорэтаналь, хлораль) действительно образует кристаллический гидрат (17), который можно выделить. Сильно электроноакцепторные атомы хлора дестабилизируют исходное карбонильное соединение, но не гидрат, образование которого, таким образом, активируется:
(115)
С1
I
CI—C —с = о ~
1 I
С1 н
С1 он
I ♦
С1-С-*С-0Н
I I
С1 н
• Н\
С! ?
С1 - С - С - н
CI о ‘•н7
(17а)
Для превращения гидрата в исходное карбонильное соединение ои должен потерять _ОН или Н2О, что затруднено из-за наличия электроиоакцепторных групп. Гидрат, образованный
231
из хлораля, также стабилизируется (как показано методом ИК-спектроскопии) путем образования водородных связей [(17а)] между его ОН-группами и электроотрицательными атомами хлора. Карбонильные группы также могут участвовать в стабилизации гидратов, возможно, вследствие образования водородных связей или вследствие оттягивания электронов, как, например, в случае дифенилпропантриона (18), который кристаллизуется из воды в виде гидрата (19):
(19)
Еще одним примером легко выделяемого гидрата является гидрат (21) циклопропанона (20):
н,о ОН
О=о—
юн
(20)	(21)
В этом случае гидратации способствует снижение степени напряжения связей при переходе от карбонильного соединения (угол С—С—С равен 60°, тогда как при хр2-гибридизации этот угол равен 120°) к гидрату (угол С—С—С равен 60°, а при spa-гибридизации он равен 109°).
8.2.2.	Присоединение спиртов
Реакции карбонильных соединений со спиртами приводят к образованию полуацеталей (22) и протекают по той же схеме, что и образование гидрата:
OR'
I
R2C=O+R'OH	R2C—он
(22)
Этот процесс также идет в условиях общего кислотного катализа, но для системы МеСНО—EtOH К — 0,5, а для системы МеСНО—Н2О К= 1,4. Устойчивые полуацетали могут быть, однако, выделены при взаимодействии карбонильных соединений, содержащих электроноакцепторные группы, например Вг3ССНО с EtOH. Превращение полуацеталя в ацеталь (24) идет в условиях специфического кислотного катализа (см. разд. 3.3), т. е. с отщеплением воды (SnI; см. разд. 4.2) от протонированной
232
формы (23) полуацеталя, причем эта стадия является медленной, скоростьлимитирующей стадией, с последующей быстрой атакой нуклеофилом R'OH:
ОН	+ОН2
|	Н+ |	-Н2О +	R'OH
RCH—OR' 7	~ RCH—OR' -(-----------RCH—OR' 7-----------
быстро	медленно	быстро
(22)	(23)
HOR'	_н+ OR'
RCH—OR' ---------- RCH—OR'
быстро
(24)
Кетоны обычно не реагируют с простыми спиртами, однако с 1,2-диолами, например (25), они образуют циклические ацетали (26):
О
НО—СН2 Н+ / \СН2 r2c=o+ | r2c; i + н2о
НО—СН2	\ /СН2
о
(25)	(26)
Протекание данной реакции с диолами, а не со спиртами R'OH обусловлено более благоприятным значением А5° для реакции диолов, чем для спиртов, так как в последнем случае число молекул при переходе от исходных соединений к продукту реакции уменьшается. Альдегиды и кетоны, которые трудно превратить в ацетали, часто образуют их с помощью ортоэфиров, например триэтоксиметана («этилортоформиат») НС (OEt) з в присутствии NH4CI в качестве катализатора.
Образование ацеталей является обратимым (К дляМеСНО— —EtOH равна 0,0125), но на положение равновесия влияют относительные количества спирта и НгО. Получение ацеталей в препаративных количествах обычно проводят в избытке спирта в присутствии безводного кислотного катализатора. Равновесие может быть смещено вправо либо азеотропной перегонкой (чтобы удалить НгО, которая образуется в ходе реакции), либо путем использования избытка кислотного катализатора, например непрерывно пропуская газообразный НС1 (для превращения Н2О: в нуклеофильную частицу Н3О+). Ацетали легко гидролизуются разбавленными кислотами до исходных карбонильных соединений, однако они устойчивы к гидролизу основаниями, так как при этом в системе нет протона, который может быть отщеплен от атома кислорода (ср. вызванный основанием гидролиз гидратов). Устойчивость ацеталей к действию оснований позволяет использовать реакцию их образования для защиты
233
группы С=0, очень чувствительной к атаке основаниями (см. разд. 8.4.4). Подобная защита позволяет проводить катализируемое основанием отщепление НВт от ацеталя (28); образующийся при этом ненасыщенный ацеталь (29) легко гидролизуется до ненасыщенного карбонильного соединения (30). Таким образом, удается осуществить именно ту реакцию, которая не могла быть проведена непосредственно с бромальдегидом (27) из-за его полимеризации под действием основания:
EtOH
ВгСН2—СН2СНО -------► ВгСН2—CH2CH(OEt)2
н+
(27)	(28)
X	"ОН
4	’
Н2О
СН2=СНСНО -<-------- CH2=CHCH(OEt)2
н+ (30)	(29)
Ацетали отвечают трем основным требованиям, предъявляемым к эффективным защитным группам: легко присоединяются, остаются прочно связанными до тех пор, пока они необходимы, н, наконец, легко отщепляются.
8.2.3.	Присоединение тиолов
Карбонильные соединения реагируют с тиолами RSH с образованием полутиоацеталей и тиоацеталей гораздо легче, чем со спиртами. Это объясняется большей нуклеофильностью серы по сравнению с кислородом. Тиоацетали относительно устойчивы в разбавленных кислотах, однако они легко разлагаются смесью Н2О—HgCl2—CdCO3. Используя образования тиоацеталя, можно изменить на противоположную полярность карбонильного атома углерода в альдегиде; электрофильный центр карбонильного соединения превращается в нуклеофильный центр в анионе (31):
R\e+ в-
;с=о н/
CH2SH £h2sh
основание ---------->
D2O
тиоацеталь	(31) анион
тиоацеталь
HgCl2. CdCOs
Н2О
234
Такое обращение полярности атома (umpolung) не может быть осуществлено непосредственно на самом RCHO. Из аниона (31) при обработке D2O и последующем гидролизе образуется дейтерированный аналог RCDO исходного альдегида RCHO, причем с хорошим выходом и селективно. Анион (31) может быть алкилирован (например, R'l); в этом случае исходный альдегид превращается в кетон RR'CO.
При применении никеля Ренея в качестве катализатора может быть проведена десульфуризация тиоацеталей; в результате происходит превращение группы С=О в группу СН2:
r'sh	h2/ni
r2c=o -----► r2c(sr')2-----► r2ch2
Такое превращение обычно трудно непосредственно осуществить в препаративных целях.
8.2.4.	Присоединение циановодорода
Хотя присоединение HCN следовало бы рассматривать как реакцию с участием карбаниона, обычно считают, что в этой реакции участвует простой анион. Эта реакция необыкновенно интересна в том отношении, что она, почти несомненно, является первой органической реакцией, для которой был установлен механизм (Лэпворт, 1903 г.). HCN — недостаточно сильный нуклеофил, чтобы атаковать С=О. Для превращения HCN в более сильный нуклеофил ~CN реакцию проводят в условиях основного катализа. В этом случае она подчиняется Кинетическому уравнению:
Скорость = й[р2С=О] [ “CN]
Присоединение _CN обратимо и в отсутствие донора протонов имеет тенденцию смещаться в сторону исходных веществ. В присутствии донора протонов равновесие смещается вправо, так как равновесие, включающее циангидрин, более благоприятно, чем равновесие, включающее промежуточный анион (32):
О'	ОН
“CN |	HY	|
R2C=O "	R2C—CN	* R2C—CN + Y”
медленно	быстро
(32)	(33)
Атака под действием “CN является медленной, скоростьлимитирующей, тогда как перенос протона от HCN или от протонного растворителя, например Н2О, происходит быстро. Влияние строения карбонильного соединения на положение равновесия при образовании циангидрина уже было рассмотрено (см. разд. 8.1). С препаративными выходами эта реакция идет с альдегидами, алифатическими и циклическими кетонами; в случае
235
жирноароматических кетонов ArCOR выходы очень малы, а с ароматическими кетонами АгСОАг реакция не идет совсем. В случае АгСНО с образованием циангидрина может конкурировать бензоиновая конденсация, а при наличии системы связей С=С—С=О конкурирующей реакцией будет 1,4-присоединение (см. разд. 7.6.2).
Из карбонильных соединений, для которых равновесие с HCN не смещено в сторону образования циангидрина, производные циангидрина могут быть получены с удовлетворительными выходами реакцией cxM.e3SiCN:
OSiMe3	ОН
Me3SiCN |	LIAIH4 |
R2C=O -------► R2C—CN --------► r2c—ch2nh2
Это возможно в результате выделения большого количества энергии при образовании очень прочной связи Si—О. Для препаративных целей получение Ме35ьпроизводных циангидринов обычно используют для осуществления дальнейших превращений группы CN (например, путем восстановления, гидролиза и т. п.). Такие превращения следует проводить в условиях, которые исключают возможность протекания обратной реакции, приводящей к образованию исходного карбонильного соединения. Дополнительным преимуществом Me3SiCN, по сравнению с самой HCN, является то, что взаимодействие его с системой С=С—С=О идет как реакция 1,2-присоединения, а при взаимодействии с АгСНО бензоиновая конденсация не идет (см. разд. 8.4.9).
8.2.5.	Присоединение иона HSO$ и других анионов
Другой классической анионной реакцией является присоединение гидросульфит-аниона к карбонильным соединениям с образованием кристаллических аддуктов. Строение этих аддуктов долгое время было предметом споров. Установлено, что они являются солями сульфоновых кислот (34); это объясняется тем, что в атакующем анионе атом серы обладает большей нуклеофильностью, чем атом кислорода. Эффективным нуклеофилом является ион SO3”, а не ион HSO3, хотя концентрация иона HSO3 выше:
НО" + HSO3	Н20 + sof“
н2о
r2c = О R2C - О" R2C - О